солнечной деятельности. Радио-прогнозы составляются на год и на
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
каждый месяц вперед; они издаются |
Институтом |
земного магне |
тизма и ионосферы и распространения радиоволн |
Академии |
|
наук |
С С С Р (ИЗМ ИРАН ). |
|
ч а с т о т а |
(НПЧ) определя |
|
Н а и м е н ь ш а я |
п р и м е н и м а я |
ется необходимой напряженностью поля в месте |
приема, которая |
при заданнойD,мощности |
передатчика |
Р |
зависит от расстояния г |
между корреспондентами, |
от коэффициента направленного |
|
дейст |
вия антенны |
от уровня напряженности поля помех в месте прие |
ма |
Е а0ы, |
а также от коэффициента поглощения |
на трассе распро |
странения радиоволн. Ввиду отсутствия точных сведений об |
|
абсо |
лютных значениях |
коэффициента поглощения |
в |
областях |
D |
и |
Е |
|
|
|
ионосферы расчет поглощения радиоволн носит приближенный ха рактер.
Для учета поглощения радиоволн, которое наблюдается в основ ном в областях D и Е ионосферы, в формулу для расчета напря женности поля подобно § 17.1 вводят экспоненциальный множитель, учитывающий поглощение:
Здесь Г — суммарный коэффициент поглощения, учитывающий по глощение радиоволн во всех областях ионосферы. Он равен:
где |
\Ко \ |
— модуль коэффициента отражения от поверхности Земли; |
п |
|
|
— число отражений от ионосферы. |
|
Величина 1+ | /СоI учитывает влияние земной поверхности вбли |
зи антенны, а множитель |Ло|"_1 — потери энергии при отражении
радиоволн от поверхности Земли. |
|
|
ионосферы в |
Коэффициент поглощения в какой-либо области |
соответствии с § 17.1 вычисляется |
|
как интеграл по |
всему пути /, |
проходимому волной в данной области, например в области |
D: |
Г 0 = | |
ct |
ßdl, |
|
(18.8) |
|
|
где cld — коэффициент поглощения, который определяется по фор муле (18.2).
Для вычисления интеграла (18.8) необходимо знать распреде ление Na и ѵЭфф по высоте. Обычно полагают, что Na изменяется с высотой по параболическому закону (см. § 14.4), а ѵЭфф в соответ-
*ствии с рис. 13.10 по экспоненциальному закону. В результате вы числения интеграла (18.8) для различных областей ионизации
А. Н. Казанцев построил графики зависимости коэффициента по глощения от рабочей частоты для различных значений критиче ских частот каждой области ионосферы. На рис. 18.7 приведен один из таких графиков для расстояния 1500 км (лето, полдень).
При расчете НПЧ необходимо знать минимальную напряженность поля .Ет1п, необходимую для уверенного приема. Ве личина £min определяется уровнем напря женности поля помех в месте приема £пом, а также отношением В сигнала к помехе, которая для данного вида работы (телефония, телеграфия и т. л.) регла ментируется нормами М ККР [46]:
' Частота, Мгц |
р . |
р р |
|
^nun |
О^пом- |
Рис. 18.7
В соответствии с выражением (18.7) по известным значениям Етіп и Е 0 можно определить максимально допустимый коэффициент поглощения, а по графику рис. 18.7 найти значение НПЧ.
В заключение отметим, что НПЧ можно уменьшить путем уве личения мощности передатчика. Действительно, при увеличении мощности передатчика Р возрастает величина Ео, так как
При этом возрастает определяемый из выражения (18.7) мак симально допустимый коэффициент поглощения Г [так как величи на £ в левой части выражения (18.7) остается неизменной и равной по-прежнему £ min] и в соответствии с графиком рис. 18.7 уменьша ются значения НПЧ.
§18.3. ТРАЕКТОРИЯ ВОЛН В И О Н О СФ ЕРЕ
Вобщем случае задача нахождения траектории радиоволн в ионосфере является чрезвычайно сложной, так как электрические параметры ионосферы (диэлектрическая проницаемость, проводи мость, число столкновений) изменяются в широких пределах. По
этому строгое решение этой задачи на основе уравнений Максвел ла (волновых уравнений) связано е большими трудностями. Одна ко в диапазоне коротких волн изменение параметров среды на расстояниях порядка длины волны невелико. Поэтому для рассмот рения вопросов распространения радиоволн в ионосфере можно воспользоваться методом геометрической оптики за исключением областей ионосферы вблизи точки отражения радиоволн, где усло вия применения геометрической оптики, как показано в § 14.4, не выполняются.
Несмотря на существенное упрощение задачи распространения радиоволн в ионосфере, которое получается при использовании ме-
тода геометрической оптики, определение траектории радиоволн в ионосфере тем не менее является довольно сложной задачей. Это объясняется рядом причин. Во-первых, на больших расстояниях от передающей антенны необходимо учитывать сферичность земной поверхности. Во-вторых, коэффициент преломления ионосферы до вольно трудно определять при учете столкновений электронов с другими частицами и при учете магнитного поля Земли.
Ниже рассматриваются основные свойства траектории радио волн для плоской и сферической ионосферы как без учета, так и с учетом магнитного поля Земли. Рассматриваются также особенно сти траектории радиоволн, когда передатчик расположен на какойто высоте над поверхностью Земли, например, на искусственном спутнике Земли.
Рис. 18.8 |
м о ж н о п р е д с т а |
При небольших расстояниях и о н о с ф е р у |
вить к а к п л о с к о с л о и с т у ю с р е д у ; |
в этом случае без |
учета магнитного поля Земли траектория волны описывается урав нением (14.17):
п (Л) sin <р(А) = sіп сро,
где фо — угол падения волны на ионосферу (рис. 18.8, а), откуда
(18.9)
Так как на пути распространения волны коэффициент прелом ления п < 1, то волна искривляется в ионосфере и на некоторой вы соте h, определяемой из соотношения
rc(A)=sin <р0,
луч становится параллельным поверхности Земли (ф= л/2). В этом месте волна отражается от ионосферы и распространяется в на правлении к поверхности Земли по симметричной траектории (см. рис. 18.8, а). Радиус кривизны луча определяется следующим вы ражением (см. § 14.2):
Как следует из § |
18.2, максимальная частота |
|
|
|
|
|
|
/ т а х = |
/ K p S e C t p 0 = ] |
/ r 8 0 , 8 |
A |
r 3 m a x |
S e C cpQ . |
|
|
|
Здесь Дуэтах — максимальное значение |
электронной концентрации |
для области |
F |
ионосферы. |
|
|
|
|
|
учитывать |
с ф е |
На больших расстояниях, когда необходимо |
р и ч н о с т ь |
З е м л и , траектория |
волны |
описывается |
уравнением. |
|
|
|
п (а-\~h) |
|
= а |
sin <р0, |
|
|
( |
18 11 |
|
|
|
|
|
sin <р |
угол |
|
. |
) |
где фо в отличие от плоской ионосферы естьб |
между лучом и |
вертикалью к поверхности Земли |
(рис. |
18.8, |
). |
|
|
|
|
Из уравнения (18.11) |
находим |
|
|
|
|
|
|
18 12 |
|
|
sin ср(/г)= -------------------------- . |
|
( . |
) |
|
|
|
|
|
”<4)(' + ѵ) |
|
|
|
(18.9) |
Это выражение отличается от |
аналогичного выражения |
для плоской ионосферы |
на величину |
|
а |
Это приводит к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(т. е. |
усло |
тому, что условие отражения радиоволн от ионосферы |
вие, когда угол ф становится равным л/2) |
при сферической |
атмо |
сфере выполняется, |
как |
показывают |
расчеты, |
на |
высотах, |
на |
10-у20% меньших, чем при плоской ионосфере. Иными словами,, для плоской ионосферы наибольшая высота zo, где происходит от ражение радиоволн, почти совпадает с высотой максимума элек тронной концентрации, находясь, однако, несколько ниже максиму ма. В отличие от этого для сферической ионосферы наибольшая высота zo, где происходит отражение радиоволн, не совпадает с высотой максимума электронной концентрации и лежит значитель но ниже ее. Это иллюстрируется рис. 18.8, где приведены траекто рии радиоволн в плоскослоистой (а) и сферической (б) ионосфере. Из этого рисунка также следует, что на частотах, превышающих максимальную частоту (/>/тах), наибольшее искривление луча при сферической ионосфере происходит ниже максимума электрон ной концентрации, в то время как для плоской ионосферы наиболь шее искривление наблюдается на высотах, соответствующих макси
муму электронной концентрации. |
м а г н и т н о е |
п о л е Зем- |
Рассмотрим теперь, каким образом |
л и влияет на форму траектории волны |
в ионосфере. |
Ввиду слож |
ности аналитического решения задачи ниже приводятся только ре зультаты графоаналитического метода решения [30].
Как указывалось в § 14.6, под действием магнитного поля Зем ли ионосфера приобретает свойства .анизотропной среды, у которой диэлектрическая проницаемость и показатель преломления, а так же фазовая и групповая скорости распространения радиоволн из меняются в зависимости от угла Ѳ между направлением распростра нения волн и вектором напряженности магнитного поля Земли. Это приводит к тому, что сферическая волна, падающая на ионосферу,
по мере распространения в ней изменяет форму своего фронта. На рис. 18.9 в качестве примера приведена картина изменения фронта, а следовательно, фазовой скорости сферической обыкновенной вол
|
|
|
|
|
|
ны при ее распространении в ионосфере. |
волны в ионо |
Из рисунка видно, что по мере |
проникновения |
сферу фронт ее изменяется сложным образом: от |
сферического — |
в начале ионосферной области |
(1), |
до седлообразного — в глубине |
области |
(4) |
в районе точки отражения. Изменение фронта волны |
|
в ионосфере приводит к тому, что при распространении какого-либо сигнала направление распространения радиоволн в ионосфере (на правление вектора групповой скорости) не совпадает с направле нием распространения в момент падения радиоволн на ионосферу. Иными словами, при распространении радиоволн в ионосфере в
У
присутствии постоянного магнитного поля Земли траектория радио волн будет отличаться от траектории, описываемой уравнениями (14.17) и (18.11). При этом отклонение луча происходит как в плос кости падения волн, так и в перпендикулярной плоскости. На рис. 18.10 дано аксонометрическое изображение траектории луча обыкновенной волны (сплошная линия) при ее распространении в ионосфере.
Из рисунка видно, что волна претерпевает искажение траекто рии в вертикальной плоскости (плоскости xz). Кроме того, волна выходит из плоскости падения xz, получая боковое отклонение. Пунктирными линиями обозначены проекции траектории волны на плоскости xz (1) и ху (2). Примерно аналогичным образом ведет себя и необыкновенная волна. Боковое отклонение волны, а также
искажения формы траектории в вертикальной плоскости зависят от угла между направлением распространения волн и направлени ем магнитного поля Земли. Боковые отклонения и искажения мак
симальны для углов между горизонтальной |
составляющей маг |
нитного поля Земли |
Н х |
и плоскостью падения волны. Эти углы ле |
жат примерно в пределах 10-у60°. |
вследствие анизо |
Боковые отклонения |
траектории радиоволн |
тропных свойств ионосферы могут явиться источником ошибок при радиопеленгации на коротких волнах, которые, как показывают расчеты и эксперименты, могут составлять 5н-10° и более.
Если излучатель электромагнитной энергии расположен в ионо сфере н а к а к о й - т о в ы с о т е над поверхностью Земли, напри мер на искусственном спутнике Земли (ИСЗ), то при связи с Зем лей распространение радиоволн происходит в среде, показатель преломления которой изменяется вдоль пути распространения. Ра диоволны вследствие ионосферной рефракции будут испытывать искривление траектории. Степень искривления луча в ионосфере зависит от угла падения волны на ионосферные области и частоты радиоволн. Может случиться так, что радиоволны не придут к по верхности Земли, а пройдут над нею и возвратятся назад к ионо сфере. Это видно на рис. 18.11, на котором приведены кривые для разных углов выхода ф, иллюстрирующие результаты расчета тра екторий радиоволн частотой f = 4/Kp для передатчика, расположен ного на высоте 200 км над Землей [77].
Из рисунка следует, что с уменьшением углов выхода ф радио волн траектории лучей как бы приподнимаются над поверхностью Земли, и распространение радиоволн на большие расстояния про исходит в результате многократного отражения от ионосферы. Ус ловием возникновения подобного механизма распространения, на зываемого в акустике «шепчущей галереей», является не большой угол падения на ионизированные слои, а малая кривизна луча, сравнимая с кривизной самой ионосферы.
Г л а в а 19
РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕРХДЛИННЫХ, ДЛИННЫХ И СРЕДНИХ РАДИОВОЛН
§ 19.1. О СО Б ЕН Н О СТ И РА СП Р О СТРА Н ЕН И Я СВ ЕР Х Д Л И Н Н Ы Х И Д Л И Н Н Ы Х ВОЛН
Сверхдлинные и длинные волны используются главным образом для телеграфной связи на дальние расстояния. За последние годы проведено много теоретических и экспериментальных исследований в области распространения волн этих диапазонов. Необходимость указанных исследований вызывалась тем, что, во-первых, разраба тывались радионавигационные системы, использующие эти диапа зоны, а, во-вторых, на волнах данных диапазонов возможен прием под водой (в морской воде глубина проникновения этих волн сос тавляет несколько десятков метров), что может быть использовано для связи с подводными лодками. Кроме того, оказалось возмож ным использование сверхдлинных и длинных волн в службе грозо вого предупреждения. По аналогичным причинам проводятся иссле дования радиоволн инфразвуковых и звуковых частот.
Как указывалось в главе 10, к сверхдлинным волнам относятся
|
|
|
|
|
радиоволны длиной от 10 000 до 100 000 |
м, |
а к длинным — от 1000 |
до 10 000 |
м. |
Подобное разграничение имеет условный характер, но |
|
тем не менее оно целесообразно в связи с некоторым различием в особенностях распространения длинных и сверхдлинных волн. На
пример, длинные волны в диапазоне 2000-У5000 |
м |
в дневное время |
распространяются на |
сравнительно большие |
|
расстояния (до |
1000 |
км) |
в основном |
как поверхностные волны, |
и практически в |
|
дневное время можно пренебречь влиянием 'пространственной вол ны. Это объясняется тем, что длинные волны в дневное время силь но поглощаются ионизированной областью D. На расстояниях около 1000 км, а ночью и на меньших расстояниях поля простран ственной и поверхностной волн соизмеримы. На сверхдлинных же волнах на всех расстояниях в любое время суток поле пространст венной волны значительно и должно учитываться, начиная с 300-У400 км. На расстояниях свыше 3000 км длинные и сверхдлин ные волны распространяются только пространственной волной.
Для длинных и сверхдлинных волн нижняя граница ионосферы и поверхность Земли (радиуса а) являются отражающими поверх ностями. Так как длины волн этих диапазонов соизмеримы с высо той между указанными отражающими поверхностями, то в соответ ствии с главой 8 распространение длинных и особенно сверхдлин ных волн, начиная с момента формирования фронта волны, можно рассматривать как распространение радиоволн в сферическом вол новоде высотой h (рис. 19.1).
В зависимости от времени суток высота волновода изменяется приблизительно в пределах от 70' км (днем, область D) до 90 км
(ночью, область Е). Исследования показывают, что изменение поля этих волн с расстоянием имеет интерференционный характер в ре зультате суперпозиции поверхностной и пространственной волн
(рис. 19.2).
300 |
т |
500 |
500 |
WO |
800 г, км |
|
|
Рис. |
19.2 |
|
|
Как видно из рисунка, длинные волны распространяются в ос новном как поверхностные без существенного влияния пространст венной волны до расстояний порядка 400 км. С увеличением длины волны это расстояние будет уменьшаться.
Нижнее основание сферического волновода — Земля обладает свойствами полупроводника, а верхнее — ионосфера в зависимости от времени суток может быть либо полупроводником (днем об ласть D ), либо диэлектриком (ночью область Е ) с е<0 . Нижние границы областей Е и D довольно резко очерчены, а электронная концентрация в них с высотой на расстоянии порядка длины волны быстро увеличивается. В результате этого (а также в результате пологого падения волн) при отражении от ионосферы радиоволны рассматриваемых диапазонов не проникают глубоко в толщу иони зированного газа( кроме длинных волн в случае области D ) и по этому испытывают малое поглощение.
Отраженные от ионосферы волны под влиянием магнитного по ля Земли имеют эллиптическую поляризацию.
Как во всяком волноводе, в сферическом волноводе имеются оп тимальные волны, которые распространяются с наименьшим зату ханием, и критические волны, которые практически не распростра
няются при данных размерах волновода. В сферическом волноводе, образованном поверхностью Земли и ионосферой, оптимальные волны имеют длину 25-1-35 км, а длина критической волны порядка
100 км.
Сверхдлинные и длинные волны сравнительно мало поглощают ся при прохождении в толще Земли и хорошо огибают вследствие дифракции сферическую поверхность Земли. Кроме того, на их рас пространение практически не влияют шероховатости и мелкие элек трические неоднородности Земли.
На длинных и сверхдлинных волнах возникает своеобразное яв ление, называемое эффектом антипода, сущность которого заклю чается в следующем. Известно, что по мере удаления от источника излучения напряженность поля на всех диапазонах волн уменьша
|
|
|
|
|
|
|
|
ется. |
Однако на сверхдлинных и длинных волнах на больших рас |
стояниях от излучателя (Ли на рис. 19.3, |
а), |
соответствующих точ |
кам |
А |
а.п, лежащим примерно на другом |
конце диаметра Земли |
(r = jta~20 000 |
км), |
проведенного из точки излучения, имеет место |
обратное явление, т. |
е. возрастание напряженности поля, которое |
иполучило название эффекта антипода.
Аи
Рис. 19.3
Это явление можно объяснить таким образом. Электромагнит ные волны, создаваемые передающей, обычно не направленной в горизонтальной плоскости антенной, распространяются во всех на правлениях П в волноводе, образованном двумя сферами: Землей и ионосферой. По мере удаления от источника излучения попереч ное сечение сферического волновода, имеющее кольцеобразную форму, будет возрастать до тех пор, пока внутренний радиус коль ца не станет равным радиусу земного шара (Ѳ = л/2). С этого мо мента по мере увеличения расстояния от антенны будет уменьшать ся площадь поперечного сечения волновода (кольца), а следова тельно, возрастает плотность потока энергии волны. Это вызывает увеличение напряженности поля в точке, диаметрально противопо ложной источнику излучения (рис. 19.3, б, пунктирная кривая). По скольку волны при отражении от ионосферы и поверхности Земли испытывают ослабление, напряженность поля в действительности
будет изменяться с расстоянием по сплошной кривой, приведенной на рисунке.
Непрерывные случайные флуктуационные изменения электрон ной концентрации в ионосфере и связанные с этим случайные изме нения высоты границы отражения от ионосферы мало влияют на работу радиолиний рассматриваемого диапазона, так как длина волны значительно больше указанных изменений высоты отража ющего слоя. Практически эти причины вызывают изменение напря женности поля в точке приема не более чем на 104-30%. При этом время изменения достигает десятков минут и даже нескольких ча сов. Суточные колебания напряженности поля длинных и сверх длинных радиоволн тем заметнее, чем короче длина волны. С на ступлением темноты напряженность поля обычно возрастает, что может быть объяснено уменьшением потерь при отражении от об ласти Е по сравнению с областью D.
Годовые изменения напряженности поля невелики, причем, как правило, летом в дневные часы напряженность поля на 204-50% больше, чем зимой, а ночью, наоборот, меньше.
Одиннадцатилетний период солнечной активности оказывает незначительное влияние на распространение сверхдлинных и длин ных волн. Невелико также влияние ионосферных возмущений. Это объясняется тем, что возмущения имеют место главным образом в верхних слоях ионосферы, от которых не зависит распространение сверхдлинных и длинных волн.
В заключение отметим, что сверхдлинные и длинные волны, от ражаясь от устойчивых ионизированных областей D и Е, обладают постоянством характеристик распространения, поэтому прием на этих волнах достаточно устойчив и надежен.
§ 19.2. М ЕТО Д И К А РАСЧЕТА Н А П РЯ Ж ЕН Н О СТИ ПОЛЯ СВ ЕР Х Д Л И Н Н Ы Х И Д Л И Н Н Ы Х ВОЛН
Ранее указывалось, что сверхдлинные и длинные волны до рас стояний примерно 3004-400 км распространяются преимущественно как поверхностные. При таких сравнительно небольших расстояни ях поверхность Земли можно считать плоской и амплитудное значе ние напряженности поля, создаваемого вертикальным электриче ским диполем, установленным на Земле, можно вычислять с помо щью формулы Шулейкина — Ван-дер-Поля (12.8) — (12.12) или кривых рис. 12.13, 12.14, а также формулы (12.30). Для определе ния напряженности поля радиоволн указанных диапазонов на рас стояниях свыше 400 км обычно необходимо учитывать влияние от раженной от ионосферы волны.
Расчет напряженности поля в этом случае сводится к решению задачи распространения радиоволн в сферическом волноводе, обра зованном поверхностью Земли и нижней границей ионосферы [79]. В таком волноводе как и в обычных волноводах, возникает множе ство видов собственных волн разных типов, и поле в точке приема представляет собой результат суперпозиции этих волн. В зависимо-
