Влияние тропосферы на ррв

 

Влияние неоднородностей тропосферы на условия распространения земных волн теснейшим образом связано с явлением атмосферной реф­ракции. Явление ат­мосферной рефракции, как известно, заключается в преломлении световых лучей (а, следовательно, и радиоволн), распространяющихся в земной ат­мосфере. Выражение для радиуса кривизны траектории радиоволны, рас­пространяющейся в тропосфере имеет вид R = n_т / [sinφ(-dn/dh)]. Известно, что в тропосфере n_т ≈ 1. Когда луч пологий sinφ =>1. Отсюда R = 10⁶ / (-dN/dh).

 

Это выражение показывает, что радиус кривизны луча в нижних слоях тропосферы определяется не абсолютным значением показателя преломления, а быстротой изменения показателя преломления с высотой. Знак минус у производной означает, что радиус кривизны будет положи­тельным, т.е. траектория будет обращена выпуклостью вверх только в том случае, если коэффициент преломления уменьшается с высотой.

 

При распространении в нормальной тропосфере, которая характери­зуется постоянством градиента - во всей толще тропосферы, траектории радиоволн получают форму дуг окружности радиуса R = 25000 км.

 

Следует отметить, что радиоволны испытывают в нормальной тро­посфере несколько большее преломление, чем световые лучи. Объясняется это тем, что обладающие постоянным дипольным моментом молекулы во­ды вследствие конечной массы не успевают под действием электромагнитного поля весьма высоких частот, свойственных видимому свету (4 × 10¹⁴Гц...7,5 × 10¹⁴Гц), менять свою ориентировку. Наоборот, в диапа­зоне радиоволн (f < 3 × 10¹¹ МГц) полярные молекулы в полной мере уча­ствуют в колебательном движении и вносят свои изменения в значение коэффициента преломления. Для световых лучей R ≈ 50000 км. Атмо­сферная рефракция, имеющая место в нормальной тропосфере, получила название нормальной рефракции.

46

Лекция 10. Особенности распространения ультракоротких радиоволн

10.1. Распространение земной волны в диапазоне укв

Радиоволны метрового, дециметрового и сантиметрового диапазо­нов (диапазонов частот ОВЧ, УВЧ и СВЧ) широко применяются в назем­ных системах связи и вещания. Большинство таких систем работает на земной волне. Исключения составляют лишь линии связи, работающие на волнах, рассеянных в тропосфере и ионосфере. В рассматриваемых час­тотных диапазонах устойчивая работа на земной волне ограничена рас­стоянием прямой видимости. В то же время широко распространены маги­стральные линии протяженностью до нескольких тысяч километров, ис­пользующие дециметровые и сантиметровые волны. Эти линии представ­ляют цепочку приемопередающих радиорелейных станций (РРС). Со­седние РРС располагаются друг от друга на расстоянии, не превышающем расстояния прямой видимости между передающей и приемной антеннами в условиях средней рефракции. На каждой промежуточной РРС прини­маемый сигнал усиливается и передается на следующую станцию. Участок линии между соседними станциями называется ретрансляционным интер­валом. Линии, построенные по такому принципу, называются радиорелей­ными линиями (РРЛ) с интервалами в пределах прямой видимости. Циф­ровые РРЛ (ЦРРЛ) должны иметь настолько широкие полосы пропускания (до 100 МГц и более), что они могут работать, в основном, на частотах выше 10 ГГц (длина волны короче 3 см). Системы телевизионного и зву­кового вещания работают на волнах метрового диапазона. Для телевизи­онного вещания выделены также полосы в дециметровом диапазоне. Ус­тойчивый радиус действия вещательных передатчиков в этих диапазонах ограничивается также расстоянием порядка прямой видимости. Для уве­личения радиуса действия станций стараются поднимать антенну на пере­даче по возможности выше, как за счет естественного рельефа, так и за счет высоты башни, на которой устанавливается антенна. Примером может слу­жить антенный комплекс Ташкентского радиотелевизионного передающе­го центра, высота которого достигает 375 метров.

Шероховатая поверхность. Критерий Рэлея. Земная поверхность никогда не бывает идеально гладкой. Даже равнинная местность покрыта большим числом хаотически расположенных неровностей. При интерфе­ренционной структуре поля земной волны на условия распространения оказывают влияние неровности местности, распределенные в пределах существенной зоны для отражения. При скользящем распространении не­обходимо учитывать неровности местности почти вдоль всей трассы. Если небольшие неровности земной поверхности в среднем распределены рав­номерно, то такую поверхность называют шероховатой. В зависимости от

 

длины рабочей волны шероховатой поверхностью могут быть взволнован­ная поверхность моря, равнина, покрытая травой, кустарником и др. При распространении над шероховатой поверхностью происходит рассеяние поля земной волны, что является причиной ослабления плотно­сти потока энергии в заданном направлении. Существуют два метода учета этого ослабления.

В условиях открытых трасс при работе в диапазонах метровых, деци- метровых и сантиметровых волн наличие земли проявляется в виде отра­женной волны. В этом случае ослабление поля в результате рассеяния ше­роховатой отражающей поверхностью учитывают с помощью эффектив­ного коэффициента отражения R_эфф. Величина R_эфф всегда меньше зер­кального коэффициента отражения R , который справедлив для гладкой отражающей поверхности. Степень неровности шероховатой поверхности оценивают с помощью критерия Рэлея. Пусть плоская волна падает под углом скольжения ∆ на плоскую поверхность с горизонтальной впадиной

глубиной ∆h (рис.10.1). Луч А'С'В', попавший во впадину и отразив-­ шийся под углом скольжения ∆, на плоскости S отличается по фазе от луча АСВ, отразившегося от пло-­ ской поверхности на величину ∆φ = (2π / λ)2∆hsin∆. Обычно счита­ют, что возмущающим действием неровности

Рис.10.1. К определению критерия Рэлея      можно пренебречь, если

∆φ < (π/4…π/2). Обозначая через ∆h_mах так называемую критическую высоту, которая соответствует критическим значениям ∆φ_mах, получим ∆h_max = λ / [(16…8)sin∆]. Для пологих траекторий, когда sin∆ ≈∆, и для обычно принимаемого критического значения ∆φ_mах = π/2 выражение упрощается   ∆h_mах∆ ≈λ / (8∆). Если высота неровности ∆h ≤∆ h_mах ≈λ /(8∆), то отражение можно считать зеркальным. Это условие называется критерием Рэлея, ко­торый показывает, что чем более полога траектория падающей волны, тем слабее возмущающее действие неровности. Так, на волне 10 см при ∆ = 5° критическая высота равна всего лишь 14 см, а при снижении угла до 0,5° допустимый размер неровности возрастает до 1,4 м. Критерий Рэлея носит приближенный характер, поскольку не учитывает формы неровности, по­ляризации поля и др. Однако измерения показывают, что качественно этот критерий правильно оценивает влияние шероховатости поверхности. Если на открытых трассах в пределах минимальной зоны для отражения высота неровностей ∆h > ∆h_mах то в интерференционных формулах используют эффективный коэффициент отражения R_эфф. Величины R_эфф для разных видов шероховатых поверхностей определяют по результатам статистиче­ской обработки экспериментальных данных.

 

47

собенности электрического поля

Эл. поле над земной поверхностью обладает такими особенностями, которые обязательно нужно учитывать.

Над ровной подстилающей поверхностью такой, как море или широкая равнина, эквипотенциальные поверхности поля расположены примерно параллельно друг другу, как показано на рис. 2 слева.

Но как только в нем появляется заземленный проводник, это поле меняется и становится примерно таким, как показано на рис. 3.

Эффект получается таким, как будто это поле поднялось и повисло на верхушке этого проводника. Эквипотенциальные линии над проводником сконценторировались, а значит увеличился вектор напряженности эл. поля. В то же время у основания проводника эл. поле уменьшилось. Если два заземленных проводника расположены недалеко друг от друга, то эл. поле будет выглядеть примерно так, как показано на рис. 6. Все эл. поле располагается выше заземленных проводников. Между этими проводниками у земной поверхности эл. поле близко к нулю. Такими проводниками являются деревья, линии эл. передач, высокие постройки, и, конечно, все городские дома. Следовательно, в условиях города проводник с эмиттером необходимо поднять выше крыш городских домов и всякого рода антенн, флагштоков, деревьев и шпилей, расположенных поблизости. Еще надежней поднять проводник и эмиттер на аэростате.