ЭД / Новая папка (2) / DOC / ЛК 12_ТЭД_и_РРВ_ч_2

ЭД и РРВ (ЛК 12)

ИОНОСФЕРНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

• распространение радиоволн при участии ионосферы;

• преломление и отражение радиоволн в ионосфере;

• максимальная и критическая частоты радиоволн;

• расчет напряженности поля ионосферных волн.

Распространение радиоволн при участии ионосферы

Распространение радиоволн сильно меняется с частотой радиоволны и с используемой средой для передачи волны (тропосфера, ионосфера или космос).

Вблизи земной поверхности на радиоволны с частотами менее 30 МГц (т.е. длина волны больше 10 метров) основное влияние оказывают характе­ристики поверхности Земли и ионосферы, а влияние тропосферы очень мало.

В диапазонах ОНЧ и НЧ на частотах ниже приблизительно 100 кГц распространение происходит в волноводном режиме, т.е радиоволна распространяется в канале, ограниченном поверхностью Земли и нижней частью ионо­сферы на высотах около 70 ― 90 км.

Радиоволны более высоких частот в диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ (до час­тоты 30 МГц) могут распространяться как прямо вдоль поверхности Земли (распространение земной волной), так и посредством последовательных от­ражений между Землей и ионосферой (распространение ионосферной волны).

Распространение радиоволн при участии ионосферы

На частотах выше 30 МГц радиоволны распространяются по прямой от пункта к пункту и могут проходить через ионосферу. Поэтому они могут использоваться как для наземной связи, так и для связи Земля ― космос.

В диапазонах ОВЧ и УВЧ ионосфера может быть причиной помех наземным службам вследствие образования нежелатель­ных режимов распространения. Распространение ионосферной волны на частотах свыше 30 МГц может вызываться повышенной по сравнению с нормальной ионизацией ионосферы.

На УВЧ и более высоких частотах при связи Земля ― космос должны учитываться явления в ионосфере, которые приводят к поглощению, деполяризации, групповой задержке, дисперсии и мерцанию сигнала.

Преломление и отражение радиоволн в ионосфере

Ре­альная ионосфера представляет собой неоднородный ионизирован­ный газ. Влияние неоднородности ионосферы проявляется, прежде всего, в том, что радиоволны в таких условиях распространяются не по прямолинейным траекториям, а по криволинейным (явление рефракции ― радиоволны, испытывая полное внутреннее отражение от ионосферы, возвращаются на Землю).

Рассмотрим случай распространения радиоволн в «плоской ионосфере», т. е. в таком ионизированном газе, у кото­рого поверхности одинаковых значений электронной концентрации представляют собой параллельные друг другу плоскости. Кроме того, будем считать, что ионосфера состоит из ря­да плоских слоев весьма малой толщины, в пределах каждого из которых электронная концентрация имеет постоянное значение. Обозначим через электронную концентрацию внутри первого слоя, через — внутри второго и т. д., причем будем считать, что .

Преломление и отражение радиоволн в ионосфере

Предполо­жим далее, что на самый нижний слой из области неионизированного воздуха падает луч частоты под углом .

Основываясь на выражении для коэффициента преломления , можно написать

.

Физической причиной поворота волны в вершине траекто­рии следует счи­тать полное внутреннее от­ражение. Полное внутреннее отраже­ние происходит в том слу­чае, когда при переходе из оптически более плотной в оптически менее плотную среду (т. е. среду с меньшим значением показателя преломления) угол падения превышает некоторое кри­тическое значение, определяемое формулой

.

Преломление и отражение радиоволн в ионосфере

В действительности показатель преломления ионосферы меня­ется плавно и при выводе условия поворота луча в реальной ионосфере следует исходить из очевидного предположения, что радиоволна может вернуться на Землю только в том случае, если в вершине траектории ее радиус кривизны меньше величины , где — радиус Земли, а — высота точки поворота над Землей. Если это условие не выполняется, то радиоволна даже отразившись от атмосферы не попадает на поверхность Земли.

Радиус кривизны траектории волны, распространяющейся в слоистой атмосфере определяется формулой:

.

Максимальная и критическая частоты радиоволн

Благодаря сферической форме Земли верхние значения угла падения ограничены некоторым максимальным значением . Для наиболее пологого луча, касаю­щегося в точке поверхности Земли, угол падения определяется формулой .

Ограничение значений угла падения на нижнюю границу ионо­сферы приводит к тому, что радиоволны не всегда отражаются от ионосферы, а при некоторых условиях пронизывают ее насквозь.

Для того чтобы учесть влияние кривизны Земли, установим соотношение между углом возвышения и углом падения на нижнюю границу ионосферы, находящуюся на высоте .

Максимальная и критическая частоты радиоволн

Из треугольника ОАВ имеем . Величину можно также определить через коэффициент отражения , где .

Приравняв два приведенных выражения, после несложных преобразований можем записать выражение для определения максимальной частоты при условии максимальной электронной концентрация

, Гц

Анализ данного выражения показывает, что чем больше частота, тем большая электронная концентрация требуется для поворота волны.

Максимальная и критическая частоты радиоволн

Изменяя угол возвышения , нетрудно увидеть, что наи­большего значения достигает при , т. е. при наиболее по­логих лучах:

, Гц.

При , что соответствует вертикально направленному лу­чу, формула принимает вид:

, Гц.

Наибольшая частота, при которой радиоволны отражаются от данного слоя при вертикально направленном луче, получила на­звание критической частоты.

Расчет напряженности поля ионосферных волн

Метод рас­чета напряженности поля средних волн, отражаемых от ионосфе­ры, основан на результатах обработки большого числа измерений напряжен­ности поля радиовещательных станций за восемь лет, проведен­ных наблюдательными пунктами Союза европейского радиовеща­ния. На основании экспериментальных данных получена формула:

, мВ/м.

Формула определяет среднее за год медианное значение по­ля, когда середине трассы соответствует местная полночь.