2. Строение и параметры атмосферы

Так как атмосфера является основной средой, в которой распространяются радиоволны, то нужно рассмотреть ее структуру подробно.

Атмосфера Земли – это газообразная оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область пространства вокруг Земли, в которой газообразная среда вращается с Землёй как единое целое. Атмосфера имеет, по-видимому, вторичное происхождение. Она образовалась из газов, выделенных твёрдой оболочкой Земли после сформирования планеты.

Земная атмосфера состоит преимущественно из азота и кислорода, содержит также аргон, углекислый газ, неон, водород, ксенон, озони другие газы. Своим составом, таким образом, она существенно отличается от атмосфер других планет.

Атмосфера Земли состоит из отдельных слоёв с условно выделенными границами. Условность заключается в том, что эти границы могут меняться, среды соседних слоёв могут проникать друг в друга и перемешиваться. Нижний слой атмосферы до высоты 10-16 км, отсчитываемой от поверхности Земли, называется тропосферой. В ней происходит турбулентное перемешивание газов; температура убывает с ростом высоты. Толщина тропосферы изменяется с земной широтой. В средних широтах тропосфера простирается до высот 10-12 км; в экваториальных — до 15-16 км; в полярных — до 7-10 км.

Над тропосферой располагается стратосфера. Она простирается до высот порядка 50-60 км. В ней температура сначала перестаёт убывать с высотой, а затем начинает возрастать. Над стратосферой находится мезосфера, которая простирается до высот порядка 90 км. В ней температура вновь уменьшается с высотой. Слой атмосферы, занимающий по высоте интервал 90-1000 км, называется термосферой. В ней температура растёт с высотой.

Термосфера считается нижним слоем ионосферы. Последняя простирается от высот порядка 90 км до 20000 км. По своему составу ионосфера качественно отличается от нижних слоёв атмосферы содержанием в ней значительного числа свободных зарядов — электронов и ионов.

Границы, на которых происходит качественное изменение зависимости температуры от высоты, носят названия пауз. Так, в тропосфере на высоте порядка 10 км находится тропопауза, где температура перестаёт убывать с высотой. В стратосфере на высоте порядка 48 км находится стратопауза, где температура перестаёт возрастать с высотой, В мезосфере на высоте порядка 80 км располагается мезопауза, где температура перестаёт убывать с высотой. Вертикальное распределение температуры определяет основные характеристики слоистой структуры атмосферы, в частности, плотность и давление, В связи с тем, что плотность атмосферы в целом убывает с высотой, в тропосфере сосредоточено приблизительно 80% всей массы атмосферы.

Все структурные параметры атмосферы (температура, давление, плотность) обладают значительной пространственно-временной изменчивостью. В связи с этим выше была отмечена определённая условность разбиения атмосферы по высоте на слои.

2. Лекция 20

   1. Механизмы распространения радиоволн.

Ввиду разнообразия сложности и изменчивости природных условий анализ процесса распространения радиоволн приводит к решению сложных задач. Радиоволны излучаются и принимаются антеннами, расположенными либо в относительной близости Земли, либо в значительном удалении от нее, например, обе антенны радиолинии находятся в космосе. Околоземное пространство неоднородно. Поверхность Земли и атмосфера оказывают решающее влияние на формирование электромагнитных волновых процессов. Представим себе сначала, что в силу направленности действия передающей антенны излучение происходит под малыми углами к горизонту. В этом случае характер волнового процесса существенно определяется свойствами почвы (или морской поверхности). В результате поглощения, вызываемого действием материальной среды, поле убывает с расстоянием гораздо быстрее, чем в свободном пространстве. Особенности строения атмосферы в данном случае могут не влиять на передачу энергии вдоль границы раздела «воздух—земная поверхность», как будто атмосфера вообще отсутствует. Такого рода волновой процесс называется земной или поверхностной волной (рисунок Рисунок 2 , а).

Радиопередача из одной точки пространства в другуюпри определённых условиях может быть осуществлена иным путём, посредством так называемой ионосферной (пространственной) волны. Электрическая неоднородность верхних ионизированных слоёв атмосферы обеспечивает механизм распространения радиоволн с частотой до 30-40 МГц за счёт последовательного многократного отражения от ионизированных слоёв атмосферы и поверхности Земли (рисунок Рисунок 2 , б).

Разреженный газ ионизирован, причём степень ионизации ионосфер ной плазмы сначала возрастает с высотой (в так называемой внутренней ионосфере), затем убывает, а, как известно, с ростом концентрации свободных электронов уменьшается диэлектрическая проницаемость среды. В результате внутренняя ионосфера представляет собой материальную среду с вертикально падающим показателем преломления.

Излучение антенны А, представляющее собой вблизи нижней границы ионосферы локально плоскую волну, можно представить лучом, падающим на слой ионосферы под некоторым углом. Этот луч претерпевает рефракцию и может вернуться к Земле, как показано на рисунке Рисунок 2 , б, причём рефракция в ионосфере может чередоваться с отражением от земной поверхности. При многократном переотражении от ионосферы и Земли радиоволны распространяются на огромные расстояния при сравнительно малом поглощении. Роль ионосферы весьма значительна: она образует нечто вроде «природного зеркала», которое совместно с земной поверхностью образует ионосферный волновод. Однако при достаточно коротких волнах (диапазон УКВ) ионосфера уже не играет роли отражателя. Если луч «не успевает» искривиться во внутренней ионосфере настолько, чтобы за счёт неоднородностей повернуть к Земле, он уходит во внешнюю ионосферу, где концентрация заряженных частиц постепенно падает. Это обстоятельство играет положительную роль, поскольку именно благодаря отмеченной «прозрачности» ионосферы оказывается возможна радиосвязь с космическими объектами и радиоастрономия.

2. −Типы волн

Нижние слои атмосферы также оказывают влияние на распространение радиоволн. В тропосфере, верхняя граница которой лежит на высоте порядка 15 км, сосредоточено около 80% всей массы воздуха. В тропосфере также происходит рефракция, проявляющаяся на больших расстояниях (рисунок Рисунок 2 , в). При распространении радиоволны в тропосфере происходит процесс рассеяния, то есть переизлучения электромагнитного поля в неоднородной среде по направлениям, отличным от направления распространения первичного поля. Существенную роль при этом играют случайные неоднородности тропосферы. За счёт слабых электрических неоднородностей локального характера в атмосфере происходит рассеяние радиоволн. Рассеяние электромагнитных волн на неоднородностях в тропосфере используется для передачи информации на частотах выше 300 МГц по наземным радиолиниям. Механизм распространения волны в тропосфере называют дальним тропосферным распространением.

Мы обсудили лишь общие, главные особенности природных условий, определяющих характер распространения радиоволн. Проследим, как они проявляются в различных диапазонах радиоволн.

Для таких диапазонов, как СДВ и ДВ, все виды почв (и, тем более, водные среды) выступают как проводники. Земная поверхность отражает эти волны без значительного поглощения. Сверхдлинные и длинные волны неглубоко проникают в ионосферу. При малых частотах изменение диэлектрической проницаемости плазмы при изменении концентрации электронов является значительным, так что нижняя граница ионосферы выражена более чётко. В результате длинные волны распространяются между двумя хорошо отражающими поверхностями, как в волноводе.

Средние волны сильнее поглощаются почвой и глубже проникают в ионосферу. Для объяснения их распространения необходимо рассматривать суточный режим состояния ионосферы.

К диапазону КВ (декаметровые волны) относят радиоволны длиной от 10 до 100 м (3 — 30 МГц). Декаметровые волны могут распространяться на тысячи километров путём многократных отражений от ионосферы о Земли, и для этого не требуются передатчики большой мощности. Диапазон КВ в основном используется для построения систем дальней связи. Основные негативные особенности данного диапазона: ограниченность полосы частот по скорости передачи информации, подверженность ионосферным возмущениям, многолучёвость, глубокие замирания и тд.

Верхняя граница рабочих частот КВ диапазона (максимальная применимая частота (МПЧ)) зависит от длины трассы, высоты отражения, закона распределения электронной плотности по высоте, критической частоты слоя. Нижняя граница рабочих частот определяется тем, как с уменьшением частоты увеличивается поглощение в ионосфере, вследствие чего уменьшается напряжённость поля. Значение наименьшей применимой частоты (НПЧ) зависит от поглощения, уровня помех, мощности излучения, устойчивости применяемого сигнала и т.д.

При изменении состояния ионосферы НПЧ и МПЧ изменяются, Для обеспечения непрерывного действия КВ радиолинии необходима корректировка рабочих частот.

В диапазонах КВ и УКВ приём всегда сопровождается непрерывным изменением уровня сигнала во времени, то есть замиранием. Замирание на КВ линиях имеет интерференционное и поляризационное происхождения, а также связано с изменением поглощения в ионосфере. для повышения устойчивости работы КВ линии связи при наличии замираний обычно используют прием на разнесенные в пространстве антенны, а также антенны с различной поляризацией. Обычно расстояние между двумя соседними приёмными антеннами выбирают примерно равным .

РасчетКВ радиолиний обычно производится по следующей схеме:

1. Определяются углы наклона траекторий и требования к характеристикам направленности КВ антенн,

2. Рассчитывается напряжённость электрического поля,

3. Оценивается влияние условий распространения на работу радиолинии.

Основным типом передающих антенн, применяемых в этом диапазоне, являются синфазные горизонтальные диапазонные антенны (СГД). Антенна представляет собой синфазную решётку, состоящую из нескольких этажей синфазно возбуждаемых симметричных вибраторов. СГД имеют высокие коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент усиления (КУ), обладают возможностью управления характеристикой направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

К диапазону УКВ относятся радиоволны длиной от 1 мм до 10 м (30 МГц – 300 ГГц). Характерная особенность этого диапазона — большая частотная ёмкость, позволяющая передавать широкополосную информацию. Одним из механизмов распространения УКВ-волн в тропосфере является ДТР, с помощью которого можно передавать информацию в разных случаях от 150 до 1000 км. На тропосферных линиях связи приём сопровождается глубокими общими и селективными замираниями, что объясняется флуктуирующей многолучевой структурой принимаемого рассеянного поля. Для линий ДТР характерно быстрое убывание уровня сигнала с увеличением длины радиолиний.

Сопоставляя связь на длинных и коротких волнах, необходимо учитывать, что в первом случае передающие антенны, представляющие собой огромные сооружения, всё же остаются малыми по сравнению с длиной волны. Они имеют небольшой КПД и обладают слабой направленностью действия. В этом смысле короткие волны оказываются более предпочтительными. Дальняя связь на них осуществляется при помощи направленных антенн; мощности передатчиков относительно малы. Однако временная изменчивость параметров ионосферы приводит к неустойчивости коротковолновой связи.

Характеризуя связь на УКВ, следует в первую очередь учитывать, что ионосфера уже не обладает способностью возвращать рефрагирующий луч к Земле. Поэтому типично использование УКВ лишь в пределах прямой видимости и для связи с космическими объектами.

Систематические и случайные изменения параметров природных сред оказывают сильное влияние на работу радиолиний. Свойства ионосферы зависят от солнечной активности, испытывая суточные, сезонные и более медленные изменения. Тепловые режимы воздушной массы определяют свойства тропосферы. Случайные изменения, флуктуации характеристик свойственны в той или иной мере всем радиолиниям. Одно из их проявлений — «замирания» передаваемых сигналов, случайные амплитудные вариации. Случайные изменения, разумеется, ведут к искажениям сигналов. Следует, однако, иметь в виду и полезную роль флуктуаций пространственных параметров тропосферы и ионосферы. Рассеяние на возникающих при этом неоднородностях обуславливает распространение УКВ за пределы прямой видимости.

В заключение раздела отметим одно важное обстоятельство. Разделение единого процесса распространения радиоволн на отдельные механизмы носит несколько условный характер. Тем не менее изучение вышеуказанных механизмов позволяет выявлять оптимальные траектории, оценить потери и возможные искажения сигналов. В наземных линиях в точке приёма обычно доминирует один из них, связанный или с земной, или с рассеянной, или с пространственной волной, в зависимости от рабочей частоты и протяжённости линии.