Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электродинамика и распространение радиоволн. Учебное пособие
.pdf
На распространение радиоволн значительное влияние оказывает также рельеф земной поверхности. Чем короче длина волны, тем
это влияние сильнее. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли и частично огибающие ее выпуклость вследствие явления дифракции, получили
название земных радиоволн.
Область прямой
видимости
Область
тени
Рис.11.10. Влияние сферичности Земли
на распространение радиоволн
Тропосфера представляет собой неоднородную среду. Свойства
ее под действием метеоусловий меняются во времени. Тропосфера
характеризуется постепенным уменьшением показателя преломления воздуха с высотой и обладает локальными неоднородностями
показателя преломления.
Плавное изменение показателя преломления с высотой приводит к искривлению траектории радиоволн (рефракция) и способствует, как правило, повышению дальности распространения радиоволн из-за огибания ими земного шара.
Локальные неоднородности тропосферы вызывают рассеивание
радиоволн (рис. 11.11). Влияние рассеивания проявляется только на
волнах короче 1 м. При более длинных волнах поле в области тени
обусловлено дифракцией. Рассеянные радиоволны могут достигать
точек на поверхности Земли, удаленных от передатчика на расстояние до тысячи километров.
Радиоволны, распространяющиеся на значительные расстояния
за счет рассеяния в тропосфере и волноводного действия тропосферы (рефракции), получили название тропосферных радиоволн.
Ионизированная часть атмосферы — ионосфера — содержит
значительное количество ионов газов и свободных электронов.
Радиоволны с длиной волны более 10 м отражаются от ионосферы
271
и не могут покинуть пределы земной атмосферы. Для более коротких волн (в том числе оптических) ионосфера является прозрачной.
A
B
r
Рис. 11.11. Тропосферная линия связи
за счет рассеяния на неоднородностях
тропосферы
Отраженные ионосферой радиоволны, падая на полупроводящую поверхность Земли и также отражаясь от нее, могут вновь
отразиться от ионосферы. В результате подобного многократного
отражения радиоволны могут попасть в сколь угодно удаленные
точки земной поверхности, и даже несколько раз обогнуть земной
шар (рис. 11.12).
Рис. 11.12. Распространение радиоволн
за счет отражения от ионосферы
Радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния в результате однократного или многократного отражения от ионосферы, а также радиоволны, рассеивающиеся на неоднородностях
ионосферы, называются ионосферными радиоволнами.
272
11.5 Понятие о функции ослабления
L
Выше мы отметили существенное влияние близости Земли и
окружающей ее атмосферы на процессы распространения радиоволн. Это приводит к тому, что поле на приемном конце радиолинии, находящейся в земных условиях, отличается от поля в свободном пространстве. Для учета этих факторов вводится функция, или
коэффициент, ослабления V(r). Амплитуда напряженности поля в
реальных условиях Е
определяется как произведение напряженно-
m
сти поля в данной точке в случае распространения волны в свободном пространстве и функции ослабления:
60
EEVr Vr
E — амплитуда напряженности электрического поля в сво-
где
0m
(11.28)
mm
() (),
0
PD
r
бодном пространстве; D — коэффициент направленного действия;
Р — мощность, излучаемая антенной.
Из формулы (11.28) следует выражение для функции ослабле-
E
m
ния:
() ,
Vr
E
или в децибелах
0
m
Vr
E
E
m
0
m
() 20lg .
дБ
(11.29)
Представление функции ослабления в децибелах удобно тем,
что общие потери на линии связи теперь могут быть определены
как
где
— основные потери в радиолинии, определяются по фор-
0,дБ
муле (11.11);
D ,
1,дБ
(11.30)
,дБ 0,дБ 1,дБ 2,дБ дБ
D — коэффициенты направленного дей-
2,дБ
ствия передающей и приемной антенн в децибелах;
() ,LLDDVr
()Vr —
дБ
функция ослабления в децибелах.
Плотность потока мощности, излучаемого передающей антенной, с учетом функции ослабления выражается формулой
273
4
PD
Vr
2
r
2
(11.31)
().
Эти формулы показывают, что с точки зрения распространения
радиоволн основной задачей расчета линии связи является определение функции ослабления в различных условиях распространения
земных, тропосферных, ионосферных волн. К определению функции ослабления V(r) при различных встречающихся на практике
условиях распространения радиоволн и сводится, по существу, основное содержание дальнейших разделов пособия.
Контрольные вопросы
1. Объясните физическую причину ослабления напряженности
поля в свободном пространстве.
2. Как зависит амплитуда напряженности поля и величина век-
тора Пойнтинга от расстояния в свободном пространстве?
3. Получите формулу идеальной радиосвязи в свободном про-
странстве.
4. Поясните физический смысл коэффициента направленного
действия антенны. Как зависит напряженность поля в точке приема
от КНД передающей антенны?
5. В чем состоит принцип Гюйгенса?
6. Как строятся зоны Френеля?
7. Как определяется область пространства, существенная для
распространения радиоволн? Как изменяется эта область при увеличении частоты радиоволны?
8. Между передающей и приемной антеннами расположен
плоский экран. Как будет изменяться сигнал в приемной антенне
при изменении положения экрана?
9. Опишите влияние Земли, тропосферы и ионосферы на распространение радиоволн.
10. Между тропосферой и ионосферой на высоте от 10 до
80 км находится область атмосферы — стратосфера. Почему существование стратосферы не учитывается при распространении радиоволн?
274
12 Распространение земных радиоволн
при поднятых антеннах
12.1 Электрические параметры различных
типов земной поверхности
Строгое решение задачи о распространении земных радиоволн
над реальной поверхностью Земли в общем случае весьма сложно.
Поэтому при теоретическом изучении и расчете земных радиотрасс
пользуются некоторыми упрощенными моделями. Во-первых,
полагают, что атмосфера однородная, не поглощающая среда; вовторых, что поверхность Земли гладкая и однородная на протяжении всей трассы; в-третьих, все случаи распространения земных радиоволн условно делят на три категории:
а) распространение при поднятых антеннах в зоне освещенности;
б) распространение при низко расположенных антеннах над
плоской поверхностью Земли;
в) распространение в области тени и полутени.
Во всех этих случаях важную роль играют электрические параметры земной поверхности:
проницаемость; — удельная проводимость. Относительную магнитную проницаемость
практически для всех типов земной по-
r
— относительная диэлектрическая
r
верхности можно считать равной единице.
Параметры реальной поверхности Земли отличаются большим
разнообразием даже в пределах одной местности. Поэтому приведем некоторые усредненные значения электрических параметров
реальных почв или диапазон изменения этих значений (табл. 12.1).
Кроме того, эти параметры зависят от частоты (или длины волны),
на которой они определяются.
Известно, что в любой немагнитной среде такие характеристики электромагнитной волны, как фазовая скорость, длина волны
в среде, коэффициент затухания, определяются через параметры
и . Нас в дальнейшем будут интересовать коэффициенты отражения плоских волн с различной поляризацией от границы раздела
«воздух – среда». Параметры воздуха при этом принимаются такие
275
r
же, как и у вакуума. Напомним, что у вертикально поляризованной
–
–
–
–
–
волны вектор
E лежит в плоскости падения, а у горизонтально поляризованной — перпендикулярен ей. Плоскость падения — плоскость, проходящая через направление распространения волны и
нормаль к поверхности.
Таблица 12.1
Электрические параметры различных типов
земной поверхности на разных длинах волн
Тип поверхности
Морская вода > 1 м
10 см
3 см
Пресная вода
водоемов
> 1 м
10 см
3 см
r
75
70
65
80
75
65
, 1/Омм
1–6
1–6
10–20
0,01–0
1–2
10–20
Влажная
почва
Сухая почва > 1 м
Снег
(t = –10 °C)
Лес > 10 м
> 1 м
10 см
3 см
10 см
3 см
> 1 м
10 см
3 см
10 см
20–30
20–30
10–20
3–6
3–6
3–6
1,2
1,2
1,2
1,004
1,04–1,4
0,02–03
0,5–1
1–3
5
10
–10
0,01–0,07
0,1–0,2
10
–5
10
–5
10
6
10
–10
–5
10
–10–3
При записи коэффициентов отражения удобно пользоваться
понятием относительной комплексной проницаемости
rr r
jj
0
60 .
(12.1)
3
6
5
Комплексные коэффициенты отражения волн с вертикальной
R
и горизонтальной
B
R
поляризацией можно записать в виде
Г
276
cos sin cos sin
RR
ВГ
rr r
cos sin cos sin
rr r
22
,,
22
(12.2)
где — угол падения, отсчитываемый от нормали к поверхности.
Формулы (12.2) носят название формул Френеля.
В реальных условиях распространения радиоволн, когда высо-
ты антенн много меньше расстояния между ними, угол падения
близок к 90° и удобно ввести угол скольжения 90 . Угол
отсчитывается от горизонтальной плоскости.
Напомним, что коэффициенты отражения определяются как
RE E
отр пад
, где
E
отр
и
E — комплексные амплитуды напря-
пад
женности электрического поля отраженной и падающей волн в точке отражения. При этом модуль коэффициента отражения характеризует изменение амплитуды волны при отражении, а его фаза —
изменение фазы волны.
На рис 12.1 показана зависимость модуля и фазы коэффициен-
тов отражения от угла
= 0,02 при длине волны
для сухой почвы с параметрами
= 6 м.
, град
arg(R),
град
135
90
45
0
) и = 6 м:
030 60
, град
,Rотн. ед.
0,75
0,5
0,25
0
0 30 60
а б
Рис. 12.1. Зависимость модуля (а) и фазы (б)
коэффициентов отражения от угла падения для сухой
почвы (
вертикальная поляризация
горизонтальная поляризация
10, 0,1
r
= 6,
r
На рисунке видно, что коэффициент отражения при горизон-
тальной поляризации по модулю больше, чем при вертикальной.
277
Фаза коэффициента RГ близка к (180°), фаза коэффициента RВ
меняется от 0° при вертикальном падении волны до 180° при
пологом падении. Такое поведение коэффициентов отражения характерно для большинства реальных поверхностей Земли. При отражении от идеального диэлектрика минимальный модуль коэффициента отражения R
становится равным нулю, а угол, при котором
В
это происходит, называется углом Брюстера. Если поверхность
Земли считать идеально проводящей (
), то R
= 1, RГ = –1.
В
Изменения, происходящие при этом с кривыми на рис. 12.1, условно показаны стрелками.
12.2 Расстояние прямой видимости
Уточним вначале термин «поднятая антенна». Поднятая антенна — антенна, поднятая на высоту, по крайней мере, в несколько
раз большую длины волны излучения. Практически с поднятыми
антеннами встречаются только в диапазоне УКВ и в редких случаях — КВ. Типичные примеры поднятых антенн — антенны телецентров, радиолокационных станций, радиорелейных линий.
Пусть передающая и приемная поднятые антенны расположены в точках А и В на высотах соответственно h
и h2 над поверхно-
1
стью Земли (рис. 12.2). Поверхность Земли — гладкая сфера радиуса R
; расстояние между антеннами равно r. Для наглядности
0
реальные масштабы на рис. 12.2 сильно искажены. Область, существенно участвующая в распространении радиоволн, ограничена
эллипсоидом вращения, приближенно совпадающим с первой пространственной зоной Френеля.
Из рис. 12.2 видно, что если соотношение между r, h
, h2 такое,
1
что первая зона Френеля не достигает выпуклости Земли, то возможно прямолинейное распространение радиоволн между точками
А и В
или А и В2. В противном случае Земля будет препятствием,
1
за которое радиоволны могут попасть только путем дифракции.
Поле в этом случае оказывается сильно ослабленным, так как в
распространении радиоволн участвует лишь часть первой зоны
Френеля и зоны высших порядков, также искаженные Землей.
278
Расстоянием прямой видимости называется такое расстояние
A
A B
C
R
R0r
A
B
B
между двумя точками, расположенными над поверхностью Земли,
при котором соединяющая их прямая касается поверхности Земли.
На рис. 12.3 точки А и В находятся на расстоянии прямой видимости. Обозначим его r
Рис. 12.2. Влияние сферичности Земли на распространение
радиоволн при поднятых антеннах
0
h1
.
1
h
2
2
O
h
1
0
O
Рис. 12.3. Определение расстояния
прямой видимости
Тогда согласно рис. 12.3 запишем:
rACCB
0
CRhR Rh
CB R h R R h
;
2
01 0 01
2
02 0 02
h
2
2
2
2;
2.
279
Следовательно, расстояние прямой видимости будет
F
Подставляя величину R
а h
и h2 в метрах, получим расстояние прямой видимости в кило-
1
метрах
Если протяженность трассы r < 0,2r
принято считать плоской. При r < 0,8r
ность Земли, хотя еще можно разделить прямую и отраженную
волны в точке приема. Это нельзя сделать в области полутени
(0,8 1,2 )rr r
00
проникает за счет дифракции.
С наиболее простого случая поднятых над плоской землей антенн мы и начнем изучать распространение земных радиоволн.
, и тем более тени
0012
2.rRhh
= 6370 км и выражая r0 в километрах,
0
3, 57 .rhh
012
нужно учитывать сферич-
0
(1,2)rr
(12.3)
(12.4)
, то поверхность Земли
0
. В эти области поле
0
12.3 Распространение радиоволн
при поднятых антеннах и плоской Земле
12.3.1 Интерференционная формула
Рассмотрим схему распространения радиоволн, когда приемная
и передающая антенны подняты над плоской поверхностью Земли
(рис. 12.4). Пусть r — длина линии связи, антенны подняты над
Землей на высоту
В данном случае поле в точке приема является результатом интерференции прямой волны (АВ) и отраженной (АСВ). Для определения положения точки отражения на поверхности Земли следует
построить зеркальное изображение точки А (точка А
ее с точкой В. При таком построении в точке С будет выполняться
h и 2h .
1
) и соединить
1
закон отражения — угол отражения равен углу падения и АСВ =
= А
СВ. На рис. 12.4 изображена также диаграмма направленности
1
антенны ( )
в свободном пространстве, где угол
280
отсчитывается
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]