Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Белосток В.С. Распространение радиоволн (учебное пособие)

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

29.10.2023

Размер:

5.78 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 134 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

В соответствии	с	законами	геометрической	оптики	поле
точке В определялось		как результат интерференции прямого г
отраженного от земли лучей (см. предыдущий				параграф). Пре
этом отраженный луч		пересекал	поверхность земли в некоторой
определенной точке,	так называемой г е о м е т р и ч е с к о и				т о ч к t

о т р а ж е н и я С.

На первый взгляд может показаться, что волны, отразившиеся

не в точке С,	а в некоторой области земной поверхности, непо
средственно	окружающей	точку С, и не		приходящие в точку В.
не влияют на величину		поля в	точке В. В действительности это
не так.		чтобы	поле,	рассчитанное нами с при
Оказывается, для того,

менением законов отражения волн от плоской поверхности земли, имело расчетную величину, площадка, в пределах которой отра жаются волны, создаваемые антенной, должна быть определен ных размеров и формы.

Таким образом, задача состоит в том, чтобы оценить форму и минимальные размеры площадки отражения, при которой поле

отраженного луча	имело бы в точке В	такую же величину, как
и при бесконечных размерах отражающей плоскости.
Для нахождения	такой площадки,	непосредственно оказыва

ющей влияние на формирование отраженного луча, как уже отхк

чалось, необходимо воспользоваться понятием о

з о н а х

Ф р е н е

ля,

представление

о которых

в свою

очередь

основывается

па

принципе Гюйгенса.

расположен

источник

света, а

Известно,

что

если в точке А

в точке В мы

определяем

световое

возмущение

(у нас

электро

магнитное

поле)

при

наличии

непрозрачного

экрана с круглым

отверстием

(рис.

2.6),

то при

размерах

отверстия, не

меньших,

чем первая зона

Френеля,

световое возмущение в точке В

будет

примерно

таким

же, как и в

отсутствии экрана. Точнее,

если

отверстие имеет

площадь,

равную первой зоне

Френеля,

то

при

наличии экрана

напряженность поля Еэкр в

точке В

будет

не

только не меньше, а даже больше

напряженности поля

свобод

ного

пространства

Есп

Дэкр —2 Деи.

Таким

образом,

если

площадь

отверстия

больше

половины

первой зоны Френеля, то поле

за

экраном не меньше,

чем

поле

в свободном пространстве.

при определении

необхо

Этим выводом мы и воспользуемся

димых минимальных

размеров

площадки

отражения. Для

этого

попытаемся случай

отражения от земли

свести к случаю

экрана

с отверстием.

Представим себе, что в пределах некоторой площадки, вклю чающей в себя точку отражения С, волны, идущие от антенны, отражаются зеркально, а вне этой площадки полностью погло щаются (рис. 2. 7). Тогда в пространстве будет иметься только пучок лучей, отразившихся в пределах нашей зеркально отража ющей площадки. Учитывая, что отражение от площадки зеркаль-

Рис. 2.6. Непрозрачный экран с круглым отверстием

чое, мы можем рассматривать отраженные лучи как лучи, обра зованные зеркальным изображением антенны, расположенным в точке А 1. и прошедшие через отверстие в поглощающем экране, имеющее такую же площадь и форму, как и зеркально отража ющая площадка.

Рис. 2.7. Отверстие в поглощающем экране, представляющем собой земную поверхность

Для того, чтобы поле, образуемое зеркальным изображением

антенны А\ в	точке В, было		не	меньшим,	нем	при	отсутствии
экрана, необходимо		отверстие по		форме и	размерам		взять та
ким, чтобы в нем		умещалась первая зона			Френеля.		Такой	же,
следовательно,	должна быть		и площадка		отражения		для	того,
чтобы поле отраженного луча			имело в точке В величину не мень
шую, чем при бесконечных размерах зеркально						отражающей по
верхности.

Этот участок земной поверхности, формирующий отраженную волну, как показывает расчет, представляет собой эллипс, линей ные размеры которого зависят от угла места цели.

РАЗМЕРЫ ПЛОЩАДКИ ОТРАЖЕНИЯ (ПЕРВОЙ ЗОНЫ ФРЕНЕЛЯ?

Знание размеров и местоположения первой зоны Френеля имеет практическое значение, так как при этом можно опреде лить необходимые размеры ровной площадки при размещении радиолокационных станций.

Обычно эту площадку рассчитывают для угла, соответству ющего первому максимуму диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости с учетом влияния земли.

Пусть С — геометрическая точка отражения и АСВ — путь луча, отраженного от этой точки. Тогда граница площадки, соот

ветствующей первой зоне Френеля,		является геометрическим
местом точек, длина пути луча	через которые отличается от дли-
ны отраженного луча АСВ на	К , то	есть АС'В г.—.АСВ	/ч
(рис. 2.8).

Рис. 2.8. Площадка отражения

Расчеты показывают, что кривая, удовлетворяющая '				такому
требованию,	является	эллипсом, охватывающим	точку	отраже
ния С. Чем	меньше угол места цели 3, гем эллипсоказывается
уже и длиннее.		максимума диаграммы	направленности
Для угла	первого

антенны, который можетбыть определен из выражения sin3MaKCl™ X

=положение эллипса и его размеры определяются соотноше

ниями:

— центр эллипса

J V - 1 2 - ~ ;

(2.15)

— большая и малая

оси эллипса

2 а

1 6 /2

• у ,

(2.16)

I |

•//:

(2.17)

— расстояния

от основания

антенны додальней и ближней

вершин эллипса

Янакс---у0- а

/?2

.81-

—

/?2

(12 г 11,3)

/г2

Л2

(2.18)

23,3 "

ЯМИ11

у 0- а

(12

11,3)^ =

0,7

(2,19)

П р и м е р . 11усть

/г

10 м,

:3.

—

В этом случае

Ямакс =

23,3 h -

23,3• 10• 3 ss 700

м,

Ямп„ -

0,7-10 ■3 = 20 м.

Таким образом, внешний радиус

площадки

отражения

(пер

вой зоны

Френеля)

Ямакс

радиолокационной

станции,

работа

ющей в режиме

кругового

обзора,

п р и -у -^ 3

должен

быть по

рядка 700 м.

площадки

отражения

может быть взят

Внешний радиус Ямакс

несколько меньше.

рекомендации по

размерам

площадок

Обычно

практические

отражения указываются в технических описаниях радиолокацион ных станций метрового диапазона волн.

Таким образом, в случае антенн, находящихся вблизи земной поверхности, наибольшее влияние на распространение радиоволн оказывают участки земной поверхности, расположенные в непо средственной близости от антенн.

3 Распространение радиоволн

В пределах площадки отражения неровности не должны пре вышать допустимых [см. формулу (1.4)]. При этом вблизи от антенны станции требования к площадке более жестки, так как углы лучей с поверхностью земли относительно велики. К даль нему краю площадки, где эти углы малы, допустимые неровности значительно больше.

На основании рассмотренного можно сделать некоторые выводы.

Во-первых, область земной поверхности, существенная для отражения радиоволн метрового диапазона, ограничивается внешним краем i?MaKc первой зоны Френеля, построенной для заданного угла места цели р.

Во-вторых, с уменьшением угла 3 размеры области, сущест венной для отражения, увеличиваются.

В-третьих, чем выше расположена антенна радиолокационной станции метровых волн, тем большим должен быть размер пло щадки отражения.

				Г л а в а	3
ТРОПОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ					НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ
			РАДИОВОЛН
	§ 1. Строение земной атмосферы
Атмосферу обычно принято делить на						три слоя:		тропосферу,
стратосферу	и ионосферу.			Тропосфера в		среднем	простирается
до высоты	10—15 км,		стратосфера — от			10—15 км		до 60 км,
ионосфера — выше		60 км*.		Схематически		строение		атмосферы
изображено на рис. 3.1.							же	состав, как
На высотах до		100 км атмосфера имеет такой
у поверхности земли, и			состоит из		смеси газов:		молекулярного
азота (78%	по	объему),		молекулярного кислорода (21% по
объему) и других		примесей (пары			воды,	водород,		углекислый

газ, озон и пр.). В этой области атмосферы происходит интенсив ное перемешивание газов благодаря господствующим здесь воз душным течениям и ветрам.

Выше 100 км под действием солнечной радиации происходит диссоциация кислорода и азота, то есть расщепление молекул на атомы. На этих высотах перемешивания не происходит, и газы располагаются слоями в соответствии с их молекулярным весом.

Кроме того, начиная с высоты примерно 60 км, газы в атмо сфере ионизированы, и здесь присутствует значительное количе ство свободных электронов и ионов.

Как будет показано ниже, тропосфера оказывает основное влияние на распространение ультракоротких волн. Верхние слои атмосферы (ионосфера) играют основную роль при распростра нении коротких волн. Что же касается стратосферы, то ее влия ние на распространение радиоволн примерно такое же, как и тро посферы, но менее выраженное.

* По данным исследований при помощи советских искусственных спутни ков Земли и ракет, верхняя граница атмосферы простирается, по-видпмому,

до высот 2000 - 3000 км.

700
$00				8,570*	41
$00					>1
					*
					K.
SOO				2 6 W ’	%
SOO				J	♦
					«a
400				u /o 8	^5
<o
£ 300 -*i ; »•• *• ’ •»♦*«• »i ^			•• * ? 6 /0 8		^
§	.•/•§ СлойF	v.v.v. ai v:			&
<=Q 200 i ' '-5^.................				2 2 /0 16 \|
too	*Ci^ ^	;Vb"	V	J
too	1 -.w .v.v.w v.y.v::M. Y..		V	J
	1US.’—— U	—и J_‘_L>л•_<..jj#
0	Стр/ггосФш		3	/9
0	ч ф			2 5-/0
77ТТ7ТШТГГТТГГГГ7Т77ТТШ7ТШ

a Тро/юсфш

Рис. 3.1. Схема строения атмосферы

СТРОЕНИЕ ТРОПОСФЕРЫ

В тропосфере сосредоточено более 4/5 всей массы воздуха земной атмосферы. Кроме того, в тропосфере (в отличие от стра тосферы и ионосферы) содержится большое количество паров воды.

Наиболее важными физическими характеристиками тропосфе ры, или метеорологическими параметрами (метеоэлементами), являются: атмосферное давление, температура, влажность и дви жение воздуха. Влияние этих элементов особенно сказывается на условии распространения ультракоротких радиоволн.

Из курса физики известно, что в однородной по составу атмо сфере при постоянной температуре давление меняется с высотой по барометрической формуле:

~аН

Р = Ро-е

где ро — давление вблизи поверхности земли;

а— постоянная величина.

Вдействительности тропосфера представляет собой неодно родную среду. Температура и состав воздуха не постоянны и ме-

няются с высотой, что приводит к отклонению распределения давления и плотности воздуха по высоте от барометрической формулы.

Важнейшим свойством тропосферы является убывание темпе ратуры с высотой, так как в пределах тропосферы нагревание ^воздуха происходит главным образом от нагретой солнцем по верхности земли. В среднем температура убывает на 5—6°С на 1 км. Прекращением падения температуры и характеризуется верхняя граница тропосферы, которая, как уже указывалось, на ходится на высоте 10—15 км.

Хотя в среднем температура воздуха в пределах		тропосферы
убывает с высотой, но в некоторых случаях	наблюдается обрат
ное явление — увеличение температуры с	высотой,	называемое

т е м п е р а т у р п о й и н в е р с и е й.

На рис. 3.2 показан типичный график изменения температуры воздуха с высотой при наличии температурной инверсии.


Температурные инверсии						могут
появляться как вблизи земной по
верхности ( п р и з е м н ы е					и н в е р
сии), так и		на	высоте		примерно
2—3 км ( п р и п о д н я т ы е и н в е р
сии).	Существенное			значение на
распространение волн имеют при
земные	температурные				инверсии.
Их возникновению				способствуют
главным образом две причины: го
ризонтальный		перенос воздушных
масс ( а д в е к ц и я )				и	р а д и а
ц и о н н о е		о х л а ж д е н и е				п о
в е р х н о с т и з е м л и .
Температурные инверсии, вы
званные адвекцией, возникают при
горизонтальном			переносе			теплых

воздушных масс, например, с су
ши на более холодную поверхность									т *й
моря (рис. 3.3). Над				сушей темпе
									>
ратурные		инверсии		появляются
главным образом			за	счет	радиа	Рис.	3.2.	Типичное распределение
ционного охлаждения,				сущность ко
торого состоит в следующем.						температуры атмосферы по высоте
						при наличии температурной
В	летние	месяцы		в вечерние				инверсии
часы	имеет	место	сильное		тепло-			за день солнечными
испускание с поверхности					земли, нагретой
лучами. Это явление в метеорологии носит								название	радиацион
ного	охлаждения.		Оно сопровождается				охлаждением		непосред

ственно прилегающего к земле воздушного слоя. В этих условиях температура приземного слоя становится значительно ниже тем пературы более высоких слоев воздуха, в результате чего возни-

кает температурная инверсия. Схема возникновения температур ной инверсии под действием радиационного охлаждения поверх ности земли представлена на рис. 3.4. Цифры на рис. 3.3 и 3.4 указывают условную температуру.

/*в

♦ М М \|
I M i l }
I	М > 1	\|
I	м I	I .

г^ г ^ г х -П ^ Г //7 /7 7 7 7 Г Л 7 Г 7 //7 /^ т>

Рис. 3.3. Схема возникновения температурной	Рис. 3.4. Схема возникпо-
инверсии при горизонтальном переносе	нения температурной ин-
ноздупшых масс	версии под действием ра
	диационного охлаждения

	поверхности земли
Толщина инверсионных	слоев обычно невелика	и	достигает
от нескольких десятков до 200 м.
Температурные инверсии возникают нерегулярно и			предска
зать их появление не представляется возможным.
Как уже отмечалось,	тропосфера неоднородна	как	в верти

кальном направлении, так и вдоль земной поверхности. Давление,


температура и	влажность воздуха			в зависимости	от высоты и
метеорологических		условий	могут	быть самыми	различными,
поэтому обычно для		расчетов вводится понятие о так называемой
н о р м а л ь н о й	а т м о с ф е р е		(тропосфере).

Определение нормальной атмосферы основывается на пред ставлении о линейном убывании температуры (на 6,5°С на 1 км), убывании давления по барометрическому закону и изменении абсолютной влажности воздуха по экспоненциальному закону с высотой.

Влияние тропосферы на характер		распространения	радио
волн проявляется, во-первых, в искривлении траекторий			распро
странения	радиоволн в вертикальной	плоскости (рефракции) и„
во-вторых,	в затухании радиоволн.

Рассмотрим эти явления и вызывающие их причины.

§ 2. Диэлектрическая проницаемость и коэффициент преломления тропосферы

Наблюдающееся	в тропосфере явление р е ф р а к ц и и радио
волн объясняется	изменением	диэлектрической проницаемости
и соответственно коэффициента		преломления воздуха с высотой.

Диэлектрическая проницаемость воздуха е только прибли женно может считаться равной диэлектрической постоянной сво

бодного пространства г0. В действительности					значение	г	возду
ха несколько больше		г0 и зависит от давления р, температуры Г
и влажности воздуха е.
Относительная диэлектрическая проницаемость влажного воз
духа, то есть	:—,	может	быть найдена		по следующей фор-
муле:	ао
муле:
		14-					(3.1)
где Т — абсолютная температура				воздуха;
р -—давление воздуха, мб (1				мб = 0,75 мм рт. ст.);		влажность
е — давление	водяных паров, мб (абсолютная					влажность
воздуха).
Коэффициент	преломления		тропосферы,		связанный	с	относи

тельной диэлектрической проницаемостью воздуха простой зави

симостью, как п ~ \ г гг ,	определяется по формуле:
п	77,6 /	, 4810	• 1(Г6	(3.2)
	j ~ I Р i	j —е

Вблизи земной поверхности коэффициент преломления га весь

ма мало	отличается от единицы и в зависимости от					климатиче
ских и	метеорологических		условий		может принимать	значения,
находящиеся в пределах
		га =	1,00026 Д- 1,00046.
В силу малого		отличия га от		единицы вместо коэффициента
преломления га пользуются так				называемым и н д е к с о м п р е
л о м л е н и я N,		связанным с га соотношением:
			V \0('(п		1).

Таким образом, индекс преломления N показывает, на сколь ко миллионных долей коэффициент преломления га больше едини цы и обычно представляет собой трехзначное число. Например, в условиях нормальной тропосферы индекс преломления.у по верхности земли имеет значение N = 325.

С уменьшением		температуры,		давления и влажности		воздуха
в среднем индекс		преломления N		уменьшается	с высотой по ли
нейному закону,	причем для		средних широт		градиент	(то есть
быстрота) индекса		преломления составляет
		dN	4 • КГ2 —
		dH		м.

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 134 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ