10.1. Поширення радіохвиль у навколишньому просторі Землі

Метою цього розділу є з’ясування сутності процесів поширення радіохвиль (РХ) безпосередньо біля планети Земля та в її навколишньому просторі. Земля має радіус, який приблизно дорівнює та неоднорідну поверхню (суходіл, моря, міста, тощо).

Землю охоплює газова оболонка, що обертається разом з нею – атмосфера.

Атмосферу поділяють на такі складники:

– тропосферу, яка містить 79% маси атмосфери;

– стратосферу (20% маси атмосфери);

– іоносферу (1% маси атмосфери).

Тропосфера – область, що сягає висот: 7-10 км – полярні широти, 10-12 км – помірні, 16-18 км – екваторіальні, є неоднорідною як вертикально, так і вздовж поверхні. Її електродинамічні параметри: діелектрична проникність ε та питома провідність змінюються з висотою та метеорологічними умовами. Тропосфера впливає на поширенняземних радіохвиль і поширення, так званих, тропосферних радіохвиль. Поширення тропосферних РХ пов’язане з явищами рефракції (викривлення траєкторії), розсіяння та поглинання.

Тропопауза – порівняно тонкий вищий шар тропосфери.

Стратосфера – область, що сягає висот 50-60 км, має на відміну від тропосфери значно меншу густину газу – в десятки, сотні разів та температурну інверсію (на висотах 30-35 км температура майже незмінна – 220 К, на висотах 50-60 км зростає до 320 К. Механізм поширення радіохвиль у стратосфері є аналогічним поширенню у тропосфері із дещо послабленим впливом відповідно до параметрів стратосфери, послаблених порівняно з параметрами тропосфери.

Тропосфера та стратосфера є нейтральним середовищем, тому ці складники називають нейтросферою, на відміну від іоносфери. Саме на нейтросферу та іоносферу поділяють атмосферу залежно від структури та, відповідно, механізму поширення радіохвиль.

Іоносфера – область атмосфери, яка починається від висот 50–60 км до (2,5...3), тобто приблизно 20000 км. В іоносфері на висотах 80-90 км температура знижується до 200 К, далі, плавно зростає й на висотах 500-600 км сягає 2000-3000 К. Особливості іоносфери – газ повністю іонізований, його густина мала (у порівнянні з тропосферою і стратосферою), кількість електроніву 1 см³. Присутність електронів впливає на електричні властивості газу та зумовлює відбивання радіохвиль частотою орієнтовно МГц від іоносфери. Радіохвилі, яківідбиваються або розсіюються від іоносфери, називають іоносферними. Радіохвилі, відбиті послідовно від іоносфери та Землі можуть поширюватись навколо Землі. Для частот, орієнтовно, понад 30 МГц іоносфера є радіопрозорою.

Фізичні параметри атмосфери є змінними, залежно від відстані до поверхні Землі.

У більшості практичних випадків радіохвилі, які використовує людина поширюються в атмосфері, а поза атмосферою – в космосі. У космічному просторі газ повністю іонізований (кількість протонів та електронів є однаковою: 2 … 20 у 1 см³).

Залежно від довжини хвилі вплив кожного середовища є різним, тому для зручності з’ясування процесу поширення радіохвилі поділяють на діапазони (див. розділи 1, 14).

Зауважимо, що тропосфера, стратосфера та іоносфера не мають магнітних властивостей, тобтоГн/м, а Земну поверхню вважають, як діелектрик з втратами. Отже, мають місцепоглинання, відбивання та розсіювання радіохвиль.

Процес поширення радіохвиль в тропосфері та іоносфері детальніше наведено в наступних розділах 12, 13.

Траєкторія, вздовж якої енергія радіохвилі поширюються від джерела до точки спостереження, залежить від різних чинників. Основними з них є частота сигналу та електродинамічні параметри середовища ().

Приклади різних типів радіохвиль, які поширюються у шарах атмосфери, наведено на рисунку 10.2.

Рисунок 10.2. Області атмосфери та види поширення радіохвиль (без врахування масштабу)

Радіохвилі, які поширюються безпосередньо біля поверхні Землі та частково огинають Земну кулю, називають земними або поверхневими (1).

Радіохвилі, що поширюються на значні відстані, внаслідок рефракції у тропосфері, називають тропосферними (2).

Радіохвилі, що поширюються на великі відстані і огинають Землю внаслідок відбивання від іоносфери називають іоносферними (просторовими (3)).

У нескінченних однорідних ізотропних середовищах хвилі поширюються вздовж прямої лінії. Тому такі хвилі називають прямими радіохвилями. Прикладом може бути радіозв’язок, що здійснено між об’єктами у космічному просторі (4) й на Землі в межах прямої видимості (5).

Радіохвилі, для яких іоносфера є радіопрозорою (МГц), можна також віднести до прямих хвиль (6).

Умови поширення радіохвиль вздовж природних трас визначають багато факторів, впливати на які неможливо, тому аналіз цих процесів дуже складний. У кожній конкретній ситуації, для кожної моделі траси вибирають ті фактори, які впливають найбільше.

Для поширення радіохвиль відстань r між передавачем та приймачем, має велике значення, як в сенсі залежності втрат потужності, так і у фізичній сутності процесів. Для радіозв’язку характерним є процес поширення радіохвиль у дальній зоні електромагнітного поля:

–для елементарного емітера (випромінювача);

–для реальних антен (емітерів),

де – довжина хвилі,– конструктивний параметр емітера.

Сферичність поверхні Землі впливає на поширення радіохвиль, тому це також потрібно враховувати.

За організацією радіозв’язку – радіолінії поділяють на два типи:

первинні – передавання здійснено безпосередньо від передавача, до приймача (рис. 10.3а). До цього типу можна віднести, також, радіорелейні лінії (в різних напрямах частоти різні), (рис. 10.3б);

вторинні – застосовують пасивну ретрансляцію (рис. 10.3в).

Рисунок 10.3. Типи радіоліній:

а – безпосередні, б – радіорелейні, в – вторинні

Для різних галузей застосовують радіохвилі різних частот, тому існує чіткий розподіл хвиль за діапазонами частот (та відповідними довжинами). Інформацію щодо розподілу радіохвиль за діапазонами та за сферою застосування радіохвиль різних частот наведено в розділах 1 та 14.