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 3 4 5 67 / 137 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

предельная

частота, как

это

следует

из рис. 4.5, соответствует

значению угла возвышения

fj.

О,

то

есть

максимально

возмож

ному расстоянию, которое мо

жет

быть

перекрыто

путем

однократного

отражения

от

ионосферы. Обычно макси

мальное расстояние, на кото

рое

попадает

радиоволна

при

одном отражении от ионосфе

ры,

достигает

3500—4000

км

(в

этом

случае

отражение

происходит

от

ионизирован

ного

слоя F2) (рис. 4.6).

Рис. 4.0. Предельное расстояние, на кото-

Если /> /ы ак с,

то

усл ов и е

ром может вестись передача путем одпо-О траж ения

радиоволны

не

вы-

го

отражения от

ионосферы

гю лняется,

волна

такой

ч а

стоты

п роходи т

сквозь

и он о

сф еру.

Эта

частота

/ макс

по

усредненны м

опытным

данны м

равна

30—40 Мгц ( X — 10 — 7,5 м ).

Из

рассмотрения

/ К1,,

/ мпч

/ м а к с

следует,

что

максимально

применимая частота больше критической частоты и меньше мак симальной.

§ 3. Поглощение радиоволн в ионосфере

Радиоволны, распространяясь в ионосфере, претерпевают

поглощение. Это		поглощение	обусловлено соударениями	свобод
ных	электронов	с тяжелыми	частицами — нейтральными	молеку-
-лами	и ионами.	Под влиянием электрического поля распростра

няющейся радиоволны свободные электроны приходят в колеба тельные движения.

Сталкиваясь с нейтральными молекулами и ионами, соверша ющими беспорядочное тепловое движение, электроны передают им свою кинетическую энергию, которую они приобрели от элек тромагнитного поля радиоволны. При этом энергия, переносимая волной, частично переходит в энергию теплового движения тяже

лых	частиц, вследствие	чего	амплитуда	напряженности поля
радиоволны уменьшается		по закону:
		Ed) Емаксе-»;,		(4.15
где	I — расстояние, проходимое		волной в поглощающей среде;
	я— коэффициент затухания.

Расчеты показывают, что коэффициент а зависит от электрон ной концентрации ионизированного газа, частоты столкновений электронов с тяжелыми частицами (нейтральными молекулами

•60

ir ионами), частоты радиоволны и определяется следующей фор мулой:

a s		60--2,82-10 -2 N'>				1_	(4.16)
				<d24 - v2		м
з де N — электронная		концентрация,			;
v — число столкновений				электронов	с	нейтральными моле
кулами в	одну		секунду ^величина,				обратная времени
свободного	пробега			электрона v = — 'j;
oj — угловая частота			радиоволны.
Для ионосферных		слоев число соударений					имеет значения:

vio:i-- io '; 1 .

1сек

Вдиапазоне коротких волн с»2Д>''2, поэтому можно пре небречь величиной v2 по сравнению с со2. Тогда , формула (4.16) примет вид:

a s 1,35-10' N ^

(4.17)

где / — частота радиоволны, кгц.

Из формулы (4.17), во-первых, видно, что потери в ионосфере на коротких волнах обратно пропорциональны квадрату частоты, то есть с увеличением частоты уменьшаются. Этот вывод приме чателен тем, что в обычных радиотехнических цепях потери с уве

личением частоты возрастают.	частоте / коэффициент затухания
Во-вторых, при заданной	частоте / коэффициент затухания
пропорционален произведению	электронной	концентрации	на
число столкновений (/V v). Так, например,		для слоя F2	при

N ~ 1(Г	эл	и v	КГ	1
N ~ 1(Г	CMS	и v	КГ	сек
				iVv = 109 ;
для слоя Е при N = Ю5 ЭЛ,1					и '>= 106 —- —
		1		слг	сек

TV v s 1011.

Следовательно, коэффициент затухания коротких волн в слое Е примерно в 100 раз больше, чем в слое F fi.

Обратная зависимость поглощения в ионосфере на коротких волнах с ростом частоты объясняется следующим образом.

При	/> v	время	свободного	пробега	электрона	- больше
периода	колебаний Т,		и электрон	успевает	несколько	раз пере-
излучить энергию, полученную им от радиоволны, не						претерпев
столкновения		с нейтральными молекулами.

На более высоких частотах в пределах коротковолнового диа пазона доля энергии, передаваемая электроном нейтральным молекулам, уменьшается по сравнению с энергией, которую электрон успевает переизлучить за время одного столкновения с тяжелыми частицами.

Таким образом, при распространении радиоволн в ионосфере более длинные волны диапазона коротких волн испытывают большее поглощение, чем более короткие. Следовательно, с точки зрения уменьшения потерь связь целесообразнее вести на воз можно более коротких волнах. Однако это требование должно* быть согласовано с условиями отражения радиоволн от ионо сферы.

§ 4. Характеристика регулярных ионосферных слоев

Как уже отмечалось, в ионосфере обычно существует несколь


ко регулярных		ионосферных		слоев	(максимумов		ионизации):
слои D, Е, F\| и F2 (рис. 4.2).				Рассмотрим наиболее			характерные
особенности этих слоев.				нижним		ионосферным		слоем. Он
Сл о й D является самым
расположен	на	высоте	60—90 км.		Электронная		концентрация
слоя D не превышает 102—10а эл/сл*3.					пределах / кр		0,1—j—0,7 Мгц*
Критическая частота слоя лежит в
Плотность	ионосферы на		высоте слоя			D еще велика		и	число
соударений	электрона		е	тяжелыми		частицами		достигает
Ю1-1 0 ь	1	что обусловливает сильно выраженные							погло
	сек

щающие свойства слоя D на коротких и средних волнах. Основная особенность слоя D состоит в том, что он появляет

ся только в дневное время, а ночью ионизация на этих высотах почти полностью исчезает. В летние месяцы критические частоты слоя D выше, чем в зимние.


Сл о й Е	расположен	вслед за		слоем D.	Нижняя	его граница
расположена	на высоте 90—120 км, которая				мало	меняется со
временен суток и временем			года.	Максимум	ионизации		наблю
дается приблизительно		на	высоте	120 км. Критическая			частота

изменяется от 3—4 Мгц днем до 0,6 Мгц ночью, что соответствует

электронной	концентрации	от 1,5-105 —9Л.	днем до	5 • 10'*	сжт
ночью. Число	столкновений	см6	молекулами
		электронов с		достигает

сек '

Основным ионизирующим фактором слоя Е является ультра фиолетовое излучение Солнца. Следовательно, для слоя Е харак

терен суточный ход ионизации. Это значит, что динамическое равновесие между количеством вновь появляющихся и исчеза ющих зарядов устанавливается почти мгновенно вслед за изме нением высоты Солнца. Вследствие этого кривая суточного хода критических частот слоя Е симметрична относительно мест ного полудня (рис. 4.7).

Н, AV*

В р е м я	с у т о * м ест н о еу
Рис. 4.7. Суточное изменение		критических частот
	ионосферы
Изменение электронной концентрации слоя Е и / кр имеет ясно
выраженный закономерный	сезонный	ход: максимальные значе

ния электронной концентрации N a f KV наблюдаются в летние ме сяцы (рис. 4.7).

Характерной особенностью слоя Е является постоянство его свойств, то есть этот слой относится к числу устойчивых образо ваний в ионосфере. Слой Е мало подвержен случайным измене ниям. В спокойные дни для одного и того же часа суток / кр изме няется менее чем на 10%.

Сточки зрения распространения радиоволн слой Е является отражающим для средних волн в дневные и ночные часы и для коротких волн в дневные часы.

Сл о й F в дневные часы летних месяцев расщепляется на два слоя: более низкий Fi и более высокий F2. В остальное время су ток и года существует только один слой Е2. Слой Fi расположен

на высоте 180—240 км; слой Р2 — на высоте 300—400 км.

Слой Fi по своим свойствам сходен со слоем Е: здесь элек тронная концентрация изменяется синхронно с высотой Солнца, и максимум ионизации наблюдается ровно в полдень. Суточный ход критических частот обладает симметричной формой относи-

тельно	местного	полудня (рис. 4.7). Электронная концентрация
слоя F,	достигает	значений 3 • 105 — 6 • 105 эл'см3. что соотве~-

ствует/Кр = 5,5 М гц. Число столкновений имеет порядок vslO *----.
Суточный ход ионизации слоя F2 значительно сложнее,	сек
	чем
слоя Е. Наиболее закономерный суточный ход электронной	кон

центрации слоя Н2 наблюдается в зимние месяцы. В этот период ионизация сильно возрастает, достигая в дневное время значений

больших, чем летом.

концентрации

слоя

Максимальное

значение электронной

в это

время

обычно

не превышает 2-106

эл/см3

после

полудня,

что соответствует

критической

-частоте

/ кр ™ 13

Мгц

(рис. 4,7).

В годы максимума солнечной активности от слоя F2 могут отра

жаться радиоволны с частотами до 50 Мгц.

снижается

до зна

В ночные часы электронная концентрация

чения 0,3-106 эл/см3, что соответствует

критической

частоте

по-

рядка /к-р^.

5 Мгц.

Число столкновений

составляет v

103 4-104

1- -

В летние

месяцы

в суточном

изменении

электронной

сек

концен

трации слоя F2 не наблюдается резкого

максимума.

Небольшой

максимум наблюдается после

полудня,

причем он имеет значе

ние меньшее, чем зимой.

Причина

необычного поведения слоя F2, проявляющегося

в том,

что

максимум ионизации

приходится

на

зимние

месяцы,

до сих пор точно не установлена.

Предполагается, что

большую

роль

здесь

играет

нагревание

атмосферы.

летние

месяцы

атмосфера нагревается больше, что сопровождаетсярасшире

нием ионизированного воздуха,		поднимающегося	и переходящего
в область	более разряженной	атмосферы, в	результате чего
электронная концентрация слоя снижается.
Слой F2	очень неустойчив,	подвержен сильным изменениям,

и даже в ионосферно спокойные дни для одного и то же часа его

электронная	плотность отклоняется		от среднего		значения	на
10-15%.	F2 в масштабе	всего земного		шара	характерно	су
. Для слоя
ществование	своеобразного	годового	хода	ионизации, выража

ющегося в том, что во время зимы в северном полушарии общая

ионизация слоя F2 возрастает.		слоем, отражающим	короткие
Слой Е'2 является	основным
волны и имеет большое значение для радиосвязи.			слоев в
С п о р а д и ч е с к и й	с лой Ес.	Помимо регулярных

освещенной части ионосферы на уровне слоя Е, то есть на высо те 100—120 км, временами образуется так называемый споради ческий (нерегулярный) слой Ес.

Слой Ес представляет собой скопления отдельных сильно ионизированных облаков, разделенных промежутками слабо ионизированного газа,, то есть имеет «решетчатую» структуру. Электронная концентрация этого слоя обычно значительно пре восходит электронную концентрацию нормального слоя Е.

Спорадический слой Ес появляется над сравнительно неболь шой территорией протяженностью в сотни и даже десятки кило метров и время его существования обычно не превышает не скольких часов. Чаще всего слой Е- возникает летом в дневное время в южных широтах и очень редко зимой. Причины образо вания спорадического слоя еще не установлены. Существующие гипотезы связывают образование слоя Ес с потоками метеоров.

Слой Ес обусловливает возможность нерегулярного распро странения метровых волн на расстояние 1000—2000 км.

С увеличением солнечной активности возрастает и интенсив ность ионизации спорадического слоя Ес. В годы последнего мак

симума солнечной	активности наблюдались отражения от слоя Ес
радиоволн частоты	65 Мгц.

5 Рлсиростргшенче роджтолн

Г л а в а 5

РАСПРОСТРАНЕНИЕ КОРОТКИХ, СРЕДНИХ

ИДЛИННЫХ ВОЛН

§1. Особенности распространения коротких волн

К диапазону коротких волн относятся	радиоволны	длиною
от 10 до 100 м (частоты от 3 до 30 Мгц).	как земные	(поверх
Короткие волны могут распространяться	как земные	(поверх

ностные) и как ионосферные (пространственные) волны. Однако вследствие значительного поглощения коротких волн в полупроводящей поверхности земли (поглощение в почве сильно возра стает с повышением частоты) земные волны при применяемых обычно мощностях передатчиков распространяются на расстоя ния, не превышающие нескольких десятков километров.

В виде ионосферных волн короткие волны могут распростра няться на многие тысячи километров, причем для этого не тре буется передатчиков большой мощности. Поэтому короткие вол

ны в настоящее время используются главным образом для									связи
и вещания на большие расстояния.						волнах является			и то,
Преимуществом работы				на	коротких
что на коротких волнах можно создавать						антенны с высокой на
правленностью.
Рассмотрим основные особенности ионосферного распростра
нения коротких волн.
	ОГРАНИЧЕННОСТЬ РАБОЧЕГО					ДИАПАЗОНА
Короткие радиоволны распространяются на большие расстоя
ния путем	отражения		от	слоя Р2, проходя при этом					через
слои D и Е, в которых они испытывают поглощение.
Нормальная схема распространения коротких волн изображе
на на рис. 5.1.		В этих	условиях		слои D и Е		являются	поглоща
ющими, а	слой	Ег — отражающим, так как					электронная	концен

трация слоя Е оказывается недостаточной для отражения корот ких волн.

Для того, чтобы волна могла быть принята на определенном расстоянии от передатчика, должны быть выполнены два условия, во-первых, условие отражения вол

ны от ионосферы и, во-вторых, на
пряженность поля в данном месте
должна		быть		достаточной					для
приема, то есть поглощение							энер
гии волны в			слоях		ионосферы				не
должно		быть слишком				большим.
Эти	два	условия			ограничивают
диапазон		применяемых				рабочих
частот.					волны необхо
Для отражения
димо, чтобы рабочая частота была
не слишком			высокой и			электрон				Рис. 5.1. Схема распространения
ная	концентрация				слоя	оказалась				коротких волн на большие рас
бы	достаточной			для		отражения				стояния:
										1—поверхностная волна; 2—волна, распростра
этой	волны		в соответствии				с фор-			няющаяся путем одного отражения от ноно-
	t л	п \	Iх_	Л				г 1		сферы; 3—волна, распространяющаяся путем
МуЛОИ (4.7) . Из				ЭТОГО УСЛОВИЯ					вы-	двух отражений от ионосферы; 4—волна, рабо-
бирается		максимальная				Примени-				чая частота которой больше критической

мая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей диапазона. Второе условие ограничивает рабо

чий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах ко ротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение энергии волны в ионосфере.

Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из того условия, что при данной мощности передатчика напряженность тюля должна быть достаточной для приема.

Электронная концентрация ионосферы меняется в течение суток и в течение года, вследствие чего изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток. Днем работают на волнах длиною 10—25 м (дневные волны), а ночью-- на волнах 35—100 м (ночные волны).

Применение более коротких волн в дневные часы возможно потому, что в часы освещенности электронная концентрация в слое Р2 достигает больших значений и от этого слоя могут отра жаться радиоволны высоких частот. В то же время волны такой высокой частоты испытывают незначительное поглощение в силь но ионизированных в дневные часы слоях D и Е.

С наступлением темноты электронная концентрация в слое К2 уменьшается, и для выполнения условия отражения частота используемых волн должна быть понижена. Поглощение ночных

волн при	этом относительно невелико,		так	как	с наступлением
темноты	электронная	концентрация	слоя	Е	уменьшается,	а
слой D вообще исчезает.
Чтобы	случайные	изменения электронной			концентрации	не

привели к нарушению связи, для работы обычно выбирают опти мальные рабочие частоты (ОРЧ), которые ниже МПЧ на

10—20%. Таким образом, при работе на ОРЧ обеспечиваются наилучшие условия приема, то есть наибольшая напряженность поля радиоволны в месте приема при данном расстоянии и дан ном состоянии ионосферы.

Выбор оптимальных рабочих частот (или МПЧ) для данного


времени суток		обычно производится			на основании		радиопрогно
зов	(месячных	и годовых). Радиопрогнозы составляются							на
основании систематически			ведущихся			наблюдении	за	ионосфе
рой,	земным	магнетизмом	и солнечной			активностью. Для			этой
цели	издаются	специальные		атласы	(ионосферные		карты), номо
граммы, которые позволяют				наиболее		просто и быстро		опреде

лять 'частоты связи между любыми пунктами. В радиопрогнозах, кроме того, даются заблаговременные предупреждения об ожи даемых нарушениях коротковолновой связи под действием ионо сферных возмущений.

В СССР радиопрогнозы составляются Научно-исследователь ским институтом земного магнетизма, ионосферы и распростра нения радиоволн (НИИЗМИР). Данные о МПЧ обычно прогно зируются с точностью до 10—15%.

Сведения о солнечной активности (годового и месячного про гнозов) выдаются астрономическими обсерваториями.

ЗОНЫ МОЛЧАНИЯ

Распространение коротких волн сопровождается явлением, присущим только этому диапазону волн. Установлено, что прием сигнала на сравнительно небольших расстояниях от передатчика


оказывается	невозможным, в то время как на расстоянии в								не
сколько тысяч		километров		слышимость		оказывается		хорошей.
Область, в которой прием				сигнала	практически невозможен,				на
зывается з о н о й м о л ч а н и я.					распространении			коротких
Появление		зоны	молчания при
волн объясняется тем,			что земные волны			в	диапазоне	коротких
волн испытывают сильное				поглощение		в	полупроводящей		по
верхности земли, так			что уже на небольших расстояниях (поряд
ка 100 км)	напряженность			поля оказывается недостаточной					для

приема (рис. 5.2). Как ионосферные, короткие волны принимают


ся только на расстояниях, больших АС. Это обусловлено					тем, что
короткие волны могут отражаться от слоя F2 только в том случае,
если они падают	достаточно полого		на ионосферный		слой, так
как критическая	частота слоя Р2	не	превосходит	13 Мгц (диапа
зон коротких волн до 30 Мгц).		короткие волны,		отразившись от
При таком пологом падении

ионосферы, приходят к Земле на сравнительно больших расстоя ниях. На малых же расстояниях от передатчика прием ионосфер

ных волн	коротковолнового диапазона оказывается невозможен,
так как для волн,		падающих на ионосферу под малыми			углами,
не выполняется		условие	отражения [см.	формулу (4.7)], и они,
несколько	искривившись,		пронизывают	ионосферу	насквозь
(рис. 5.2).


В	результате			получается, что в некоторой части					трассы ВС
прием	радиоволн			как	земных, так и ионосферных оказывается
невозможным. Это и есть зона молчания.
Таким		образом, зона молчания				представляет собой, кольце
вую область вокруг					передающей	станции,		в пределах		которой
1фием сигналов невозможен. Размеры зоны молчания										расширя
ются при		укорочении			рабочей волны		н уменьшении		электронной
концентрации.			Так,		например, при передатчике средней мощ
ности в дневные часы внешний радиус зоны молчания										г2 на вол
не 40 .и		составляет			около 200 км,	а	на	волне 20 м		порядка
1000 км (рис.			5.3).

Рис. Г).2. Образование зоны	Рис. 5.3. Зона молчания
молчания	при распространении ко
	ротких радиоволн

ЗАМИРАНИЯ В ДИАПАЗОНЕ КОРОТКИХ ВОЛН

При приеме передач в диапазоне коротких волн наблюдаются быстрые колебания напряженности поля сигнала, называемые замираниями (федингами). Причиной замираний является много лучевое распространение радиоволн. Чаще всего причиной зами рания служит приход в точку приема двух лучей, распространя ющихся путем одного и двух отра

жений от ионосферы, как это пока
зано	на	рис.	5.4.	Поскольку			два
луча, приходящие в точку В, про
ходят	различные			пути,		фазы их
неодинаковы,			и	результирующее
иоле в месте приема в зависимости								п - л D
от сдвига		фаз	между		падающими
^	^	г	больше		или		^	Рис. О.4. Возникновение замирать:
.лучами будет						меньше		вследствие интерференции иоио-
поля	луча,		претерпевшего				ОДНО	сферных волн, претерпевших одно
отражение.								и Два отражении

Так как электронная концентра ция ионосферы непрерывно и беспорядочно изменяется в некото

рых пределах, то меняется и высота, на которой происходит отра жение радиоволн, в результате чего непрерывно изменяются дли ны путей каждого из лучей. Вследствие этого разность фаз полей,

(4)

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 137 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ