книги из ГПНТБ / Красюк Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн учеб. пособие

\

лентная температура Т0 антенны будет равна яркостной температу­ ре источника излучения Тя. В другом частном случае, т. е. для диск­ ретного источника радиоизлучения, яркостная температура Тяисточ­ ника будет постоянна в пределах телесного угла £2И, под которым с места расположения антенны «виден» источник помех, и равна нулю за пределами Й„. Если телесный угол основного лепестка диаграммы направленности антенны Qa будет больше телесного уг­ ла источника радиоизлучения Й„, то

(16.9)

Можно показать, что для антенн с диаграммой направленности в виде «игольчатого луча» телесный угол й а и раствор диаграммы направленности Ѳд связаны по формуле

4

Тогда формула (16.9) приобретет вид

(16.9а)

где Ѳи — угол, под которым «виден» дискретный источник радиоизлучения в месте расположения приемной антенны.

Рассмотрим особенности различных видов радиопомех.

П р о м ы ш л е н н ы е п о м е х и создаются в результате работы промышленной и бытовой радиоаппаратуры и являются нежела­ тельным побочным продуктом их работы. Обычно лри разработке и создании промышленных и бытовых электроустановок прини­ маются специальные меры по подавлению создаваемых ими помех. Однако уровень напряженности поля индустриальных помех в про­ мышленных районах оказывается большим. Особенно велика на­

волнах уровень промышленных помех, как правило, уменьшается. При организации линий радиосвязи (в том числе линий радиосвя­ зи Земля — Космос) необходимо выбирать место . расположения приемных станций вдали от очагов индустриальных помех. Для защиты от них целесообразно также применять остронаправленные антенны и добиваться подавления боковых и задних лепестков диа­ граммы направленности антенн.

В каждом конкретном случае уровень промышленных помех оп­ ределяется с помощью специальных измерений.

Г р о з о в ы е п о м е х и возникают в результате электростати­ ческих разрядов молний. Помехи возникают как от местных гроз, так и от гроз в мировых очагах грозовой деятельности, которые рас­ положены вблизи экватора. На рис. 16.3 дано распределение экви­ валентной температуры атмосферных помех в зависимости от час­ тоты для экваториальных районов земного шара [64].

477

Помимо суточных колебаний, грозовые помехи имеют резко вы­ раженную широтную зависимость. Максимальный уровень помех от грозовых разрядов наблюдается около географического экватора,

обходимо использовать специальные карты абсолютных температур фона небесных радиошумов [64].

Дискретными источниками космических помех являются Солн­ це, планеты Луна, Марс, Сатурн, Венера и радиозвезды Лебедь, Кассиопея и Телец. Наиболее мощным из них является Солнце.

В отличие .от фонового радиоизлучения Галактики, которое на­ блюдается во всех направлениях и весьма постоянно во времени помехи от Солнца создаются только в том случае, когда антенна направлена на Солнце. Так как Солнце имеет яркостную темпера­ туру порядка миллионов градусов, то оно является мощным источ­ ником помех. Радиопомехи от Солнца излучаются в диапазоне час­ тот от 30 до 30 000 Мгц и их уровень изменяется в широком диапа­ зоне в зависимости от состояния солнечной активности. По време­ ни эти изменения могут происходить в течение нескольких часов или нескольких дней. На рис. 16.5 приведены кривые изменения эквивалентной температуры шумов в зависимости от частоты для спокойного (/), активного (2) и возмущенного (3) состояний Солн­ ца [64].

478

Вклад Солнца в общую эквивалентную шумовую температуру антенны как для наземной, так и для космической систем зависит от ширины диаграммы направленности антенн. Кривые рис. 16.5 справедливы для антенны, у которой ширина главного лепестка диаграммы направленности равна или меньше углового размера солнечного диска. Последний равен примерно 0,5° при наблюдениях с поверхности Земли. Если ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны больше углового размера солнечного дис­ ка, то значение эквивалентной температуры, определяемое из рис. 16.5, должно быть пересчитано по формуле (16.9а). Предположим,

Рис. 16.5

например, что наземная антенна направлена на Солнце и имеет ширину главного лепестка диаграммы направленности, равную Ѳа=10°. В соответствии с рис. 16.5 для спокойного Солнца на час­ тоте 3-103 Мгц эквивалентная шумовая температура равна при­ мерно 105К. По формуле (16.9а) находим эквивалентную шумовую температуру для наземной антенны (угловой размер солнечного диска с поверхности Земли равен Ѳи~0,5°):

Г э^ 1 0 5° k Q 2= 2 5 0 °K .

Источниками радиоизлучения являются также планеты Луна, Юпитер, Венера, Сатурн, Марс и радиозвезды, расположенные в Галактике. Среди планет наиболее сильные помехи создает Луна, радиоизлучение которой примерно на два порядка меньше радио­ излучения спокойного Солнца [66]. Угловые размеры лунного диска составляют примерно 0,5° (для наблюдателя, находящегося на по­ верхности Земли). Помехи от радиозвезд Лебедь, Кассиопея и Те­ лец невелики и меньше уровня излучения черного тела с темпера­ турой 100° К. Вследствие малой интенсивности излучения радиозвезд, а также малой площади источников излучения уровень кос­ мических помех от них мал (пренебрежимо мал на частотах выше ІО3 Мгц). Практически космические помехи от радиозвезд не соз­ дают вклада в общий фон эквивалентной шумовой температуры антенн.

479

Т е п л о в ы е п о ме х и , с о з д а в а е м ы е п о в е р х н о с т ь ю З е м л и , обусловлены тепловым радиоизлучением Земли. Как ис­ точник радиоизлучения Земля оценивается эффективной шумовой температурой, равной примерно 300° К. Такую шумовую температу­ ру будет иметь ориентированная на Землю антенна, которая нахо­ дится на какой-то высоте над поверхностью Земли так, что ширина ее диаграммы направленности равна угловому размеру земного диска. Однако у антенн, устанавливаемых на спутниках и космиче­ ских кораблях, ширина диаграммы направленности обычно отли­ чается от угла, под которым видна Земля со спутника или косми­ ческого корабля. Эффективная шумовая температура такой антен­ ны должна определяться по формуле (16.9а). Например, для спут­ ника, находящегося на стационарной орбите вокруг Земли на высо­ те 35 860 км, диск Земли виден под углом Ѳп= 17,34°; Предположим, что на спутнике установлена антенна, ширина диаграммы направ­ ленности которой равна Ѳа = 34,68°. Эквивалентная шумовая темпе­ ратура такой антенны, обусловленная тепловым излучением Земли, в соответствии с формулой (16.9а) будет равна

Г э = 300° К ( — 'f= 7 5 ° К.

э\34,68/

Тепловое радиоизлучение Земли может быть принято антенной, расположенной на поверхности Земли за счет боковых лепестков диаграммы направленности антенны. Эффективная шумовая тем­ пература таких антенн может быть оценена по формуле

Тэ = «300° К.

Здесь коэффициент п определяет долю излучаемой антенной энер­ гии, которая попала бы на поверхность Земли, если бы антенна бы­ ла передающей. Как показали результаты экспериментальных ис­ следований, проведенных с параболическими антеннами, эффектив­

ловлены излучением атмосферы Земли. Из физики известно, что если газ избирательно поглощает излучение (например, излучение Солнца), то, будучи нагрет, он испускает излучение на тех же час­ тотах. Поглощение, а следовательно, и излучающие свойства атмо­ сферы существенно зависят от частоты. В сантиметровом и милли­ метровом диапазонах излучение Солнца поглощается и переизлучается кислородом, парами воды, озоном и углекислым газом.

Так же как и помехи от других источников, помехи, создаваемые атмосферой Земли, оцениваются эквивалентной шумовой темпера­ турой антенны. Величина температуры существенно зависит от уг­ ла Ѳ ориентации максимума диаграммы направленности антенны относительно горизонта. Она максимальна при угле (горизон­ тальный путь волны), так как в этом случае в создании излучения участвует большая толща атмосферы. Эквивалентная температура минимальна при угле Ѳ = 90° (вертикальный путь волны). На рис.

480

§ 16.3. О ПТИМ АЛЬНЫ Е ЧАСТОТЫ

Выбор рабочих частот на линии радиосвязи Земля — Космос определяется как условиями распространения (поглощения) радио­ волн, так и уровнем внешних помех, воспринимаемых антеннами.

"Нижняя граница диапазона частот, пригодного для связи на ли­ нии Земля — Космос, ограничивается отражающими и поглощаю­ щими свойствами ионосферы и уровнем космических помех. Радио­ волны с частотами ниже 30 Мгц отражаются от ионосферы и поэто­ му непригодны для связи с объектами, находящимися за ее пре­ делами. Поглощение радиоволн в ионосфере зависит от электрон­ ной плотности, числа столкновений электрона с нейтральными час­ тицами и ионами ѵЭфф и при <т»2^>ѵ2Эфф уменьшается с возрастанием частоты. При обычных значениях электронной плотности поглоще­ ние радиоволн в ионосфере на частотах выше 100 Мгц не превы­ шает 0,05 дб, и им практически можно пренебречь. Наиболее суще­ ственным фактором, определяющим нижнюю границу диапазона частот, являются космические помехи. Как видно из рис. 16.7, они имеют значительную величину на частотах, меньших 100 Мгц, и малую величину на частотах выше 1 Ггц.

Верхняя граница диапазона частот, используемых для космиче­ ской связи, определяется в основном поглощением радиоволн в тро­ посфере, а именно резонансным поглощением в кислороде и парах воды, а также поглощением в дожде и тумане. Как видно из рис.

наименьшими; эти частоты целесообразно использовать для.связи на линии Земля — Космос. В соответствии с рекомендацией М ККР

Явление Допплера проявляется при радиосвязи со спутниками Земли и выражается в том, что при движении спутника относитель­ но наземной станции частоты принимаемых сигналов несколько от­ личаются от частот передаваемых сигналов. Причиной изменения частоты является то, что при передаче сообщения длительностью Т, например, на удаляющийся (или приближающийся) спутник это

V

сообщение будет приниматься за время Т + Т —, где ѵ — скорость

с

удаления спутника относительно Земли, а с — скорость света. Дей­ ствительно, при удалении спутника от наземной станции последняя посылка сообщения проходит расстояние, большее, чем первая, на

482

величину Тѵ, равную расстоянию, пройденному спутником за время приема сообщения. Таким образом, сообщение оказывается равно-

мерно растянутым во времени ,в (1+ —) раз; в результате во столь­

ко же раз увеличивается частота каждой спектральной составляю­ щей передаваемого сигнала. Поясним это на примере. Предполо­ жим, что сигнал состоит из несущей частоты /с и двух боковых частот f0± F . В результате явления Допплера частоты сигнала бу­ дут иметь следующие значения:

несущей частоты. Кроме того, каждая спектральная составляющая сигнала изменяется по частоте в (1 + ѵ/с) раз, т. е. происходит де­ формация спектра сигнала [66].

На допплеровское изменение частоты оказывает влияние атмосфера Земли. Действительно, фаза волны, распространяющейся в неоднородной среде, характе­ ризующейся коэффициентом преломления п = 1 + Д я (г, t), определяется выраже­ нием вида [78]

483'

Здесь ѵл = — — проекция скорости на линию L в месте расположения космиче­

ского объекта; 1 + Ап (L) — коэффициент преломления среды в месте располо­ жения космического объекта.

При учете влияния тропосферы на допплеровский сдвиг частот формулу (16.12) можно упростить. Так как спутник обычно находится вне тропосферы, можно считать, что A «(L )= 0 . Кроме того, за время пролета спутника можно счи­

тать неизмененными коэффициент преломления тропосферы, т. е. полагать, что

д

п = 1 + N 03- 10-6е - ° ' 136Л,

то после некоторых преобразований можно получить следующее приближенное выражение, учитывающее влияние тропосферы на допплеровское изменение ча­ стоты:

Здесь Ѳ — угол места, а /(Ѳ) — функция, зависящая от угла места.

Из выражения (16.13) следует, что допплеровское изменение частоты Д/т, вызванное тропосферой, пропорционально скорости изменения угла места, обус­ ловленной движением спутника. Особенно сильно это изменение проявляется при малых углах места. Так как величина dQ/dt зависит от траектории спутника, то допплеровская частота Д/т.также зависит от параметров орбиты спутника и ее расположения относительно приемного наземного пункта.

Допплеровское изменение частоты, обусловленное влиянием ионосферы, также может быть определено из выражения (16.12). Не рассматривая этот вопрос, от­ метим только, что влияние ионосферы на допплеровский сдвиг частот может быть заметно ослаблено путем применения на линии связи Земля — Космос двух ко­ герентных частот. Более подробно с этим вопросом можно познакомиться в [78].

Как видно из формулы (16.11), величина допплеровского сдвига частоты определяется скоростью спутника относительно наземной станции. Например, для /с = 10 Ггц и v/c= ІО-5 допплеровский сдвиг частоты А/ составляет 0,1 Мгц. Как видим, допплеровский сдвиг частоты может достичь большой величины, и его не­ обходимо учитывать при определении полосы пропускания наземных и бортовых приемников.

Для уменьшения влияния допплеровского сдвига частоты в на­ земных приемных устройствах используют автоматическую под­ стройку частоты. Другой возможный способ заключается в измене­ нии несущей, частоты передатчика на величину допплеровского сдвига частоты, но для этого необходимо производить предвари­ тельное вычисление этого сдвига при заранее известных координа­ тах наземной станции и параметрах орбиты спутника.

Однако ни один из этих способов не устраняет деформации спектра сигнала, которая приводит к изменению времени передачи сообщения в (1 + ѵ/с) раз.

Уменьшение деформации спектра сигнала может быть достиг­ нуто регулированием скорости передачи или скорости воспроизве­

484

дения принятого сообщения. И в том и в другом случаях необхо­ димо предварительно «запомнить» сообщение, а затем производить его считывание со скоростью, изменяющейся обратно изменению

(1 + ѵ/с).

§ 16.5. ПРОХОЖДЕНИЕ УКВ ЧЕРЕЗ ПЛАЗМЕННУЮ ОБОЛОЧКУ СПУТНИКА

При вхождении в плотные слои воздуха спутник движется со сверхзвуковыми скоростями, достигающими '6ч-8 км/сек. В резуль­ тате перед ним образуется резко выраженная ударная волна, имею­ щая параболическую форму. Из-за преобразования кинетической энергии в тепловую в процессе торможения спутника в плотных слоях атмосферы за фронтом ударной волны происходит скачкооб­ разное возрастание температуры до 3000-4-6000° К и увеличение давления воздуха до нескольких атмосфер. Скорости молекул пря­ мо пропорциональны корню квадратному из температуры и подчи­ няются максвелловскому закону распределения. При больших тем­ пературах всегда имеются молекулы, движущиеся с очень больши­ ми скоростями, которые способны вызвать ионизацию газов, входящих в состав атмосферы. Таким образом, в результате силь­ ного аэродинамического нагрева происходит тепловая ионизация воздуха: перед спутником, а также на некотором расстоянии за ним образуются резко очерченные, хотя и крайне неоднородные слои ионизированных газов с большим значением электронной кон­ центрации. При этом вблизи притупленного конца спутника наблю­ дается наибольшая электронная концентрация, так как набегаю­ щий поток воздуха нормален к поверхности спутника и температура здесь наибольшая.

На рис. 16.8 приведены значения электронной концентрации в пространстве между телом спутника и фронтом ударной волны [6].

Как видно из рисунка, на высоте 304-50 км над поверхностью Земли наблюдается большая электронная концентрация перед спутником, которая составляет примерно 10и4-1015 эл/см3, что со­ ответствует критической частоте порядка ІО2 Ггц. Поэтому для под­ держания радиосвязи с космическим кораблем при вхождении его в плотные слои атмосферы необходимо использовать волны с часто­ тами выше ІО2 Ггц.

Другим фактором, ухудшающим условия радиосвязи со спут­ ником при его вхождении в плотные слои атмосферы, является за­ тухание радиоволн. Оно имеет большую величину, так как ввиду большой плотности воздуха за фронтом ударной волны существует большое число столкновений электронов с нейтральными частица­ ми. В результате сильно возрастает проводимость ионизированного воздуха в пространстве между спутником и фронтом ударной вол­ ны. Помимо поглощения, радиоволны испытывают также отраже­ ние на границе раздела ионизированный газ — воздух. Полное ослабление радиоволн обусловлено одновременным действием как поглощения, так и отражения радиоволн, причем действие первого

485

фактора проявляется более сильно. На рис. 16.9 приведена за­ висимость расчетного коэффициента полного поглощения от высоты полета спутника для частоты 200 Мгц [6].

Как видно из рисунка, поглощение радиоволн имеет наиболь­ шую величину на высотах ЗО-г-50 км.

Наличие плазменной оболочки вокруг спутника вызывает также рассогласование антенны с радиоустройствами спутника вследствие изменения входного сопротивления антенны. Плазменная оболочка искажает диаграмму направленности антенн, а из-за большого на­ грева антенны и поверхности спутника увеличивается эквивалент­ ная шумовая температура антенны, т. е. возникают дополнительные помехи радиосвязи.

Для улучшения условий распространения радиоволн при связи со спутником при вхождении его в плотные слои атмосферы антен­ ны желательно располагать на боковых поверхностях спутника, вблизи которых электронная концентрация меньше, чем у носовой части.

На восходящем участке траектории при запуске спутника вокруг него образуются потоки ионизированного газа, истекающие из соп­ ла работающего ракетного двигателя. При этом ионизации подвер­ гаются вещества, которые являются продуктом горения топлива и которые легко ионизируются под действием высокой температуры струи. В первый момент запуска ионизированные потоки не имеют четко выраженных границ и ионизированный газ окружает всю ра­ кету, что ухудшает условия распространения радиоволн, а следова­ тельно, и условия радиосвязи между ракетой и командным пунктом на Земле. Спустя некоторое время после запуска струя от двигателя приобретает определенную конфигурацию факела.

Максимальная электронная концентрация в струе наблюдается у сопла двигателя, где она достигает значений 1010-М 0 И эл/слг3, что соответствует критической частоте порядка 1 Ггц. По мере удале­ ния от сопла электронная концентрация убывает обратно пропорци­ онально квадрату расстояния. Так же как и плазменная оболочка спутника, струя ионизированного газа от двигателя ракеты вызыва­

486