Конспект лекций Электродинамика и РРВ

Рис. 2

Если в точке отражения волны m провести плоскость MN, касательную к поверхности Земли, и отсчитывать высоты антенн от этой плоскости, то картина распространения радиоволн над сферической поверхностью Земли будет аналогична картине распространения волн над плоской поверхностью. Для определения напряженности поля на расстояниях, меньших R0, можно пользоваться интерференционной формулой или формулой Введенского (5), подставляя в них вместо действительных высот расположения антенн h1 и h2 приведенные высоты h1' и h2'. При таком рассмотрении разность хода лучей сохраняется и угол падения волны на поверхность Земли остается неизменным, следовательно, результат будет правильным.

Для расчета напряженности поля нужно найти приведенные высоты h1' и h2' по известным высотам h1 и h2 и расстоянию R. Если бы рис. 2 был изображен в масштабе, то было бы видно, что действительные и приведенные высоты почти не имеют углового расхождения и можно считать h1'=h1 - ∆h1, h2' - ∆h2.

Из треугольников Oq'm и Op'm можно найти q′m = 2a0∆h1 , mp′ = 2a0∆h2 , и

Определение положения точки отражения m в общем случае связано с громоздкими вычислениями. При небольших расстояниях, R < 0,5R0, положение точки отражения т можно найти так же, как для плоской земной поверхности:

При значительных расстояниях между антеннами, близких к расстоянию прямой видимости, прямая q'p' и ломаная qmp почти сливаются и можно считать, что

Для промежуточных случаев берут положение точки т как среднее двух положений, определяемых формулами (7) и (8).

1. Поле вертикального электрического вибратора

Передающие антенны километровых и гектометровых волн выполняются чаще всего в виде мачт или башен, расположенных в непосредственной близости от поверхности Земли. По принципу действия такие антенны эквивалентны вертикальному заземленному вибратору. Приемные антенны также располагаются вблизи поверхности Земли. В некоторых случаях антенны декаметровых и более коротких волн располагают вблизи поверхности Земли, например автомобильные антенны или антенны переносных радиостанций. Как было указано, при небольшой протяженности радиотрассы поверхность Земли можно считать плоской.

Рассмотрим наиболее простой случай, когда вибратор расположен вблизи идеально проводящей поверхности (рис. 3,а).

Рис. 3

Условия, близкие к этим, наблюдаются при распространении километровых волн над морской поверхностью. Поскольку подводимая к вибратору мощность излучается только в верхнее полупространство, напряженность поля заземленного вибратора по сравнению с напряженностью поля вибратора в сво-

Характеристика направленности такой антенны имеет максимум излучения, ориентированный вдоль земной поверхности. Согласно граничным условиям при z = 0 вектор напряженности электрического поля Имеет только одну составляющую Еz1 и электромагнитная волна распространяется вдоль поверхности Земли.

Лекция № 34. Радиоволны в ионосфере

1. Ионизация атмосферы и рефракция радиоволн

Главной причиной ионизации газов атмосферы является ультрафиолетовое излучение Солнца, а точнее, излучение в диапазоне волн короче 0,1 мкм; заметим, что на эту часть спектра приходится довольно малая доля энергии солнечного излучения. Более длинноволновое электромагнитное излучение (с меньшей энергией квантов) не в состоянии произвести требуемую работу ионизации. Вторым по значению ионизирующим фактором являются корпускулярные потоки также в основном солнечного происхождения.

Чем вызвано образование ионизированных слоев? Это можно понять на примере идеализированной атмосферы однородного состава. Плотность энергии ионизирующего потока, приходящего к Земле, по мере проникновения в атмосферу падает в результате поглощения. Плотность же газа, наоборот, падает с увеличением расстояния от Земли. Поэтому количество свободных электронов в единице объема N' как функция высоты имеет максимум: на некоторой высоте ионизация наиболее интенсивна и лежит «ядро» слоя.

Диэлектрическая проницаемость (или модуль ε) ионосферного слоя падает с ростом N' (при ω>ωp ). Если луч падает на ионосферный слой под углом

θ0 (рис.1), удовлетворяющим выражению

то на выходе слоистой ионосферы луч будет распространяться совершенно полого. Здесь N' — значение концентрации на высоте «поворота луча» при данной частоте f и начальном угле θ0 .

Рис.1.

Пусть луч направлен вертикально ( θ0 = 0 ), тогда равенство (1) удовлетво-

этом Nmax есть максимальное значение электронной концентрации для данного слоя; вычислим частоту

ядра концентрация изменяется в пределах от нуля до Nmax′ , так что в первом случае обязательно найдется уровень, для которого ω= ωp и выполняется усло-

вие полного отражения при нормальном падении. Во втором же случае такого уровня нет.

Для всякого наклонного луча ( θ0 ≠ 0 ) существует своя максимальная рабочая частота

где h – высота луча, а R0 – радиус Земли. Поэтому и возникает высокочастотное ограничение ионосферных волн:

Эта граница лежит в диапазоне коротких волн. В редких случаях – в годы наибольшей солнечной активности в дневное время – рефракция в ионосфере оказывается достаточной для поворота луча при λ<10 м (в длинноволновой части диапазона УКВ).

2. Поглощение и дисперсия

Выходя за пределы геометрической оптики, рассмотрим плоскую однородную электромагнитную волну, распространяющуюся в безграничной однородной плазме. Поскольку

где ω2p = e2 N′ε0m – плазменная частота, то формулы, выражающие вещественную и мнимую части комплексного волнового числа, примут вид

Наибольший путь в ионосфере проходят короткие волны, причем на всем его протяжении, за исключением небольшой области вблизи места поворота

Коэффициент затухания растет линейно с увеличением частоты столкновений ν и обратно пропорционален квадрату частоты ω. Пусть теперь tg ∆ 1 (среда является проводником). Тогда в соответствии с (6)

частоты столкновений ν уменьшается, как 1 ν .

Возьмем, наконец, простейший случай, когда можно пренебречь столкновениями (их частота весьма мала). При этом

Интересно, что зависимость волнового числа от частоты имеет здесь совершенно такой же характер, как и в случае быстрых Е - и Н-волн в направляющей системе. При ω< ωp электромагнитный процесс утрачивает характер

бегущей волны, поле затухает по закону

при f ≤ fкр ( fкр определяется формулой (2)). Совершенно такой же, как и для

быстрых волн без поглощения, оказывается групповая скорость рассматриваемой волны:

Ионосфера - среда заметно диспергирующая, что следует и из общего выражения k ' (7).

Лекция № 35. Распространение коротких волн

1. Особенности распространения декаметровых волн

Земные волны декаметрового диапазона распространяются на расстояния, не превышающие нескольких десятков километров. Расчет напряженности электрического поля можно проводить в зависимости от высоты расположения антенн над поверхностью Земли по полученным ранее интерференционным формулам.

Ионосферные волны этого диапазона могут распространяться на многие тысячи километров, причем не требуется передатчиков большой мощности. Поэтому волны декаметрового диапазона используются главным образом для радиосвязи и вещания на большие расстояния ионосферной волной.

Декаметровые радиоволны распространяются на большие расстояния путем отражения от ионосферы и поверхности Земли. Такой способ распространения называют скачковым и характеризуют расстоянием скачка Rc1, Rc2, ..., Rcn, числом скачков п, углами входа θ01 и прихода θ02 волны (рис. 1).

Рис.1. Схема распространения коротких волн на большие расстояния: 1 — интерференция волн, отраженных однократно и двукратно от

ионосферы, 2 — волна, однократно отраженная от ионосферы: 3 — волна, распространяющаяся путем двух отражений от ионосферы; 4—волна, для которой направление распространения совпадает с направлением максимального излучения антенны: 5—волна, рабочая частота которой больше максимально допустимой

Расстояние скачка зависит от высоты отражающего слоя, рабочей частоты и диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости, оно меняется в зависимости от времени года, сезона и уровня солнечной активности. В среднем максимальное pacстояние скачка при отражении от слоя F2 принимают равным 4000 км, при отражении от слоя F1 — 3000 км, при отражении от слоя Е

— 2000 км. Максимальное расстояние скачка имеет место при излучении волны по касательной к горизонту, однако у реальных антенн максимум излучения направлен под некоторым углом к горизонту, что приводит к уменьшению максимального расстояния скачка. Минимальное расстояние, для которого выполняется условие отражения (при θ01 = θ0 кр), называют расстоянием зоны молча-

ния (Rc1). Обычно антенна излучает в некотором интервале углов, соответствующем ширине диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости (штриховая линия на рис. 1) и составляющем 10…15°. При углах входа, больших θ0 кр, волны могут распространяться по различным траекториям (одно или два отражения от слоев F2, F1 или Е). Преимущественной траектории распространения волны не существует. Вероятность появления той или иной траектории зависит от протяженности трассы и состояния ионосферы.

Существенное влияние на распространение декаметровых волн оказывает неоднородность ионосферы в горизонтальном направлении. Градиенты критических частот максимальны в утренние и вечерние часы, когда их величина достигает 0,4 МГц на 100 км. В горизонтально неоднородной ионосфере нарушается симметрия траектории волны (углы входа и прихода не равны между собой), изменяются расстояние скачка и условия отражения.

Коротковолновая радиолиния может успешно работать при выполнении двух условий:

1)должно быть выполнено условие отражения волны от ионосферы,

2)напряженность поля полезного сигнала в данном месте должна превышать уровень помех.

Из первого условия выбирается максимальная применимая частота

(МПЧ). Второе условие ограничивает диапазон применимых частот снизу: чем ниже частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере. Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток. Днем работают на волнах 10…25 м, а ночью на волнах 35…100 м. Понятно, что необходимость менять длину волны и каждый раз правильно выбирать

ееусложняет как схему станции, так и работу оператора.

Поле декаметровых радиоволн всегда подвержено замираниям. Основной причиной быстрых замираний служит приход в точку приема двух волн, однократно и двукратно отраженных от ионосферы. Изменения электронной плотности, непрерывно происходящие в ионосфере, приводят к изменению длины пути каждой из волн и к изменению разности фаз между ними, а следовательно, к случайным изменениям суммарной напряженности электрического поля, которые в диапазоне коротких волн являются частыми и глубокими. Помимо этого, замирания вызываются рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн, интерференцией обыкновенной и необыкновенной составляющих волны. Кроме интерференционных замираний, на декаметровых волнах имеют место поляризационные замирания, причиной которых является поворот плоскости поляризации волны при распространении ее в направлении силовых линий магнитного поля Земли. На практике все указанные причины замираний действуют одновременно. Быстрые замирания хорошо описываются законом распределения Релея (при интервалах наблюдения 3…7 мин).

Медленные замирания, для выявления которых необходимо вести наблюдения в течение 40…60 мин, вызваны изменением поглощения радиоволн в ионосфе-

ре. Распределение амплитуд сигнала при медленных замираниях подчиняется нормально-логарифмическому закону со стандартным отклонением около 8 дБ. Пространственная корреляционная функция замираний описывается экспоненциальным законом с расстоянием пространственной корреляции l0= (10…25)λ при разнесении точек наблюдения в направлении, перпендикулярном направлению трассы. При разнесении точек наблюдения вдоль трассы расстояние корреляции возрастает. В практике радиосвязи используют обычно две антенны, разнесенные на расстояние l = 10. Сигналы складывают после детектирования. Эффективным является разнесение антенн по поляризации, т. е. одновременный прием на вертикальную и горизонтальную антенны с последующим сложением сигналов.

Работа радиолиний декаметрового диапазона подвержена частым нарушениям, которые возникают в результате ионосферных возмущений. Основной причиной нарушения работы радиолиний являются ионосферно-магнитные бури. Работа радиолинии прежде всего нарушается на наиболее высоких частотах, а восстанавливается раньше на низких частотах. При сильных возмущениях приходится прибегать к ретрансляции по линиям, проходящим в районах более низких широт. Нарушения, вызванные ионосферно-магнитными бурями, длятся от нескольких часов до двух суток. Второй причиной являются внезапные вспышки поглощения, проявляющиеся только на освещенной стороне земного шара, они приводят к нарушению работы радиолиний на наиболее низких частотах декаметрового диапазона, длятся от нескольких минут до нескольких часов и восстановление работы радиолинии начинается на более высоких частотах.

2. Распространение дециметровых и сантиметровых радиоволн на космических радиолиниях

С помощью космических радиолиний осуществляется радиосвязь пилотируемых космических кораблей с Землей и между собой, радионаблюдение за полетом и управление полетом космических кораблей, передача с космического корабля радиотелеметрической информации (результатов измерений режима, работы аппаратуры, параметров полета, данных научных наблюдений), изучение космоса, поверхностей и атмосфер планет, сбор метеорологических данных, наземная радиосвязь и ретрансляция радиовещательных и телевизионных программ через ретрансляторы, расположенные на ИСЗ, и др.

Траектория искусственных спутников Земли имеет три характерных участка. На начальном, стартовом, участке траектории спутник с ракетойносителем при работающих двигателях движется в сравнительно плотных слоях атмосферы, где происходит отделение отработавших ступеней ракеты. На втором участке траектории скорость движения спутника несколько превышает первую космическую скорость и движение вокруг Земли происходит по эллиптической орбите в сильно разреженной атмосфере. Третий участок траектории соответствует возвращению спутника, вхождению его в плотные слои атмосферы. У невозвращаемых спутников третий участок траектории отсутствует. На