Вопр_гос_эк_ЭД и РРВ / Особенности распространения СВЧ электромагнитных волн в атмосфер1

Особенности распространения СВЧ электромагнитных волн в атмосфере, рефракция волн и поглощение.

В сантиметровом диапазоне электромагнитных волн возникает поглощение электромагнитных волн, которое связано с их взаимодействием атомами молекулярного газа. В качестве примера рассмотрим высокочастотную дисперсию диэлектрической проницаемости одноатомного газа. Согласно классической модели атома, электроны

в нем совершают гармонические колебания относительно ядра. Рассмотрим атом, как гармонический осциллятор, в котором смещение электрона под действием переменного во времени электрического поля волны E₀ exp{}. В этом случае уравнение движения частицы (электрона) под действием внешнего электрического поля имеет вид

,

здесь – частота собственный колебаний электрона, находящегося на соответствующей оболочке молекулы газа, – эффективный коэффициент затухания, который обратно пропорционален времени жизни возбужденного состояния атома. Вынужденное решение этого уравнения имеет вид

.

Поляризацию среды характеризует дипольный момент , здесь x – дипольный момент атома, n_e – концентрация электронов в единице объема. Учитывая связь между значениями векторов индукции и поляризации , и напряженности электрического поля в однородном изотропном диэлектрике , приходим к выражению для относительной диэлектрической проницаемости газа

.

Таким образом классическая модель атома приводит к зависимости относительной диэлектрической проницаемости от частоты, которая характеризует дисперсию среды. Зависимость необходимо учитывать на частотах, близких к резонансным частотам соответствующих электронных оболочек . В этом случает диэлектрическая проницаемость газа является комплексной. При условии, что поправка к диэлектрической проницаемости, вызванная колебаниями электронов во внешнем переменном поле, много меньше единицы комплексный показатель преломления равен

.

Далее, разделяя действительную и мнимую части показателя преломления, получим

.

Зависимости мнимой и действительной частей показателя преломления показаны на рисунке.

Мы видим, что функция напоминает резонансную характеристику колебательного контура, причем поглощение возрастает вблизи частоты . Действительная часть показателя преломления имеет излом вблизи резонансной частоты. При показатель преломления увеличивается с ростом частоты и фазовая скорость волны уменьшается (имеет место так называемая нормальная дисперсия). Вблизи частоты существует достаточно узкая область, где показатель преломления уменьшается с ростом частоты. (область аномальной дисперсии).