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

дартных (нормальных) условиях.

На рис. 3.5 представлена идеализированная зависимость изме­ нения индекса преломления атмосферы с высотой, а на рис. 3.6 показан типичный график изменения индекса преломления N при возникновении в тропосфере приземной температурной инвер-- сии. Из рис. 3.6 видно, что в тех областях тропосферы, где имеет

40

место температурная инверсия, индекс преломления N резко убывает с высотой. Как будет показано ниже, такое резкое уменьшение индекса преломления с высотой создает благоприят­ ные условия для волноводного распространения радиоволн в тропосфере.

МЕЛКИЕ НЕОДНОРОДНОСТЙ ТРОПОСФЕРЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

В атмосфере вследствие неравномерного нагревания поверх­ ности земли возникают восходящие и нисходящие потоки воздуха, которые вместе с господствующими в тропосфере ветрами и тече­

отклонения температуры и давления газа. Эти отклонения приво­

отличающейся от среднего значения проницаемости окружающей

от высоты фазовая скорость распространения радиоволн, опреде­ ляемая, как известно, формулой

сс

вразличных слоях тропосферы неодинакова, причем с ростом

41

высоты скорость распространения радиоволн постоянно возра­ стает, приближаясь к скорости света. В результате этого радио­ волны при распространении в среде с переменным коэффициен­ том преломления, а следовательно, и с переменной скоростью распространения, движутся по искривленным траекториям, (рис. 3.7), то есть имеет место рефракция радиоволн.

_ ------О г п с у г п с т ё и е р е ф р а к ц и и

—----- Н а л и ч и е р е ф р а к ц и и

Рис. 3.7. Искривление траектории радиоволн в тропосфере

Следует отметить, что радиоволны испытывают в нормальной тропосфере несколько большее преломление, чем световые волны.

нитного поля видимого света менять свою ориентировку. Наоборот, в диапазоне радиочастот полярные молекулы воды в полной мере участвуют в колебательном движении и вносят свои изме­ нения в значение диэлектрической проницаемости воздуха г, а следовательно, и в величину коэффициента преломления п.

РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ АТМОСФЕРНОЙ РЕФРАКЦИИ

Характер и величина рефракции зависят от величины верти-

кального градиента коэффициента преломления

отклоняется от прямой линии вверх, то есть имеет место отрица­ тельная рефракция (рис. 3.8, а). В этом случае коэффициент пре­ ломления возрастает с высотой, и кривая траектории обращена выпуклостью вниз.

42

43

При этом различают следующие частные случаи.

1) Нормальная атмосферная рефракция, возникающая в нор­

При этом радиус кривизны радиолуча R равен радиусу Земли

(рис. 3.8, в).

3) Сверхрефракция, возникающая при быстром падении коэф фициента преломления с высотой, то есть когда

В этом случае радиус кривизны траектории радиоволн стано­ вится меньше радиуса земного шара, и пологие лучи при этом получают возможность, претерпев в тропосфере полное внутрен­ нее отражение, возвратиться на землю (рис. 3.8, г). В результа­ те многократных отражений от поверхности земли и тропосферы волны с пологими траекториями приобретают способность рас­ пространяться на значительные расстояния в пределах той части тропосферы, в которой возникли условия для сверхрефракций.

Распространение радиоволн при сверхрефракции аналогично распространению радиоволн в волноводе и поэтому получило название распространения в условиях атмосферного (тропосфер­

Метеорологические наблюдения показывают, что высота атмо­ сферных волноводов обычно не превышает нескольких десятков метров (и почти никогда не превосходит 200 м), вследствие чего волноводное распространение возможно главным образом на сантиметровых и дециметровых волнах. На распространение ко­ ротких, средних и длинных волн атмосферные волноводы вообще не влияют.

Условиями, благоприятствующими возникновению атмосфер­

44

П О Н Я Т И Е О Б Э К В И В А Л Е Н Т Н О М Р А Д И У С Е З Е М Л И

Как было показано выше, при расположении антенны на не­ которой высоте над землей, в условиях зеркального отражения, поле в пределах прямой видимости определяется как сумма пря­ мого и отраженного лучей. Рассчитывая поле на небольших рас­ стояниях, можно не учитывать рефракцию и считать, что траек­ тории волн прямолинейны. На больших дальностях такое допу­ щение приводит к ошибкам, поэтому необходимо учитывать рефракцию, то есть принимать во внимание искривление траекто­ рий, иначе возникнут существенные ошибки в расчете сдвига фаз между полями прямой и отраженной волн.

Упрощенный способ учета рефракции заключается в том, что траектории лучей принимаются прямолинейными, однако радиус Земли соответствующим образом увеличивается. Таким образом картину распространения волны по криволинейной траектории вблизи реальной Земли (рис. 3.9, а) заменяют картиной распро­ странения волны по прямолинейной траектории вблизи Земли с измененным радиусом уэкв (рис. 3.9,6). Кривизна траектории

луча в эквивалентном случае равна нулю г— , а в реальном

случае R '

Рис. 3.9. Определение эквивалентного радиуса земного шара:

а—земной шар действительного радиуса; б—земной шар эквивалент­ ного радиуса

45

земной поверхности в реальном и эквивалентном случаях. Это условие можно записать так

Расчеты показывают, что радиус кривизны R траектории вол­ ны зависит только от градиента коэффициента преломления по высоте и в .случае положительной рефракции имеет величину:

Таким образом, влияние нормальной атмосферной рефракции на распространение радиоволн может учитываться введением эквивалентного радиуса Земли, равного 8500 км.

Следует отметить, что при сверхрефракции понятие об экви­ валентном радиусе Земли неприменимо.

46

§ 4. Поглощение радиоволн в тропосфере

Радиоволны короче 10 см в некоторых условиях могут доволь­ но сильно поглощаться в процессе распространения в тропосфе­ ре. В результате поглощения величина напряженности поля про­ ходящей волны уменьшается с расстоянием значительно быстрее, чем при распространении в свободном пространстве.

При наличии поглощения напряженность поля выражается формулой:

обусловлено наличием капельных образований (гидрометеоров), присутствующих в атмосфере в виде дождя, тумана, града, снега и т. д. Обычно рассматривают две различные физические причи­ ны, вызывающие поглощение радиоволн в капельках воды.

В каждой капельке распространяющиеся волны наводят токи смещения, плотность которых, как известно, пропорциональна диэлектрической проницаемости и частоте (напомним, что диэлек­ трическая проницаемость воды в 80 раз превосходит диэлектри­ ческую проницаемость воздуха). Таким образом, значительные токи могут возникнуть в капельках воды только на самых высо­ ких частотах (для волн короче 3 см). Вода не является идеаль­ ным диэлектриком, поэтому возникающие в капельках воды токи и приводят к поглощению радиоволн.

Второй причиной поглощения радиоволн в капельных образо­ ваниях является рассеяние радиоволн капельками воды. Физика процесса заключается в том, что наводимые в капельках дождя или тумана токи являются источником вторичных радиоволн, создающих рассеяние энергии. Такое рассеяние практически соз­ дает эффект поглощения в направлении распространения радио­ волн, так как вместо того, чтобы распространяться в первона­ чальном направлении, волны частично рассеиваются по всем направлениям. Рассеяние радиоволн оказывается тем большим, чем крупнее капля и чем короче длина волны.

Помимо ослабления поля проходящей волны рассеянные сиг­ налы являются помехой для работы радиолокационных станций сантиметровых волн. В то же время рассеянные отражения позво­ ляют наблюдать радиолокационными методами за движением дождей, грозовых облаков и др.

Степень поглощения радиоволн оценивается коэффициентом затухания а. Зависимость ос от длины волны для дождя и тумана различной интенсивности показана на рис. 3.10. Надписи у кри­ вых означают количество осадков в мм/час при Т = 18°С.

Из графика видно, что поглощение резко уменьшается с уве­ личением длины волны и становится ничтожно малым для воли

а

длиннее К) см. Поэтому на волнах длиннее 3 см с поглощением в капельных образованиях можно практически не считаться.

о<? д 5 /к ; и

48

ной частоты.

Зависимость селективного поглощения от длины волны пред­

'км

Рис. 3.11. Зависимость селективного поглоще­ ния в тропосфере от длины волны

Радиоволны, испытывающие селективное поглощение, для передачи сигналов в тропосфере неприменимы.

49

Распространение радиоволн