Тема 4 Распространение радиоволн

4.1 Условия распространения радиоволн

Диапазоны радиоволн (рв).

Спектр частот электромагнитных колебаний разделен на диапазоны с десятикратным изменением частоты. Частоты каждого диапазона можно рассчитать по формуле:

Здесь: – частота в Гц; – номер диапазона.

К радиоволнам относятся диапазоны с 4 по 12 с частотами от 3кГц до 3ТГц и длинами волн от 100 км до 0.1 мм. Каждый следующий диапазон в 10 раз шире предыдущего. Условия распространения и области применения радиоволн различных диапазонов различны. Граничные частоты, длины волн и диапазонов сведены в таблицу.

Волны, короче 10 метров объединены под общим названием ультракороткие – УКВ

№	Диапазон волн			Диапазоны частот
	Название	Обозначе- ние	Длины волн	Название	Обозначе- ние			Частоты
	1	2	3	4		5	6
4	Сверхдлинные (мириаметровые)	СДВ	км	Очень низкие		ОНЧ	кГц
5	Длинные (километровые)	ДВ (КмВ)	км	Низкие		НЧ	кГц
6	Средние (гектометровые)	СВ (ГкМВ)	м	Средние		СЧ	кГц
7	Короткие (декаметровые)	КВ (ДкМВ)	м	Высокие		ВЧ	МГц
8	Метровые	МВ	м	Очень высокие		ОВЧ	МГц
9	Дециметровые	ДМВ	дм	Ультра- высокие		УВЧ	МГц
10	Сантиметровые	СМВ	см	Сверх- высокие		СВЧ	ГГц
11	Миллиметровые	ММВ	мм	Крайне высокие		КВЧ	ГГц
12	Децимилли – метровые	ДММВ	мм

Распространение РВ над землей

1. Распространение энергии в пространстве.

Рис. 4.1 Лучи радиоволн в пространстве

Антенна наземного РПДУ излучает РВ в различных направлениях. Часть излучения, направленная вдоль земной поверхности, будем называть поверхностным лучом (луч (1) на рис. 4.1).

Часть излучения, направленная под углом к земной поверхности может либо пройти сквозь атмосферу в свободное пространство, либо, отразившись, возвратится на землю. Соответствующие лучи называются невозвращающимися (2) или пространственный (3).

В свободном космосе возможна связь «космос - космос» прямым лучом, условия распространения приближаются к идеальным (4). При наличии отражения или переизлучения (ретрансляция) луча космическим объектом, имеет место связь «земля – космос - земля».

2. Условия распространения земного луча.

Поверхность земли – полупроводящая среда. Энергия падающего на ее поверхность луча, распределяется между преломленным и отраженным лучами. Это распределение зависит от длины РВ и свойств поверхности.

На СВД и ДВ отражается почти вся энергия падающего луча, т.к. проводимость поверхности высока. По мере повышения частоты (укорочения волны) проводимость почвы уменьшается, растет энергия преломленного луча, превращаемая в тепло.

Морская вода, влажная почва имеет более высокую проводимость, чем сухая, песчаная или каменистая почва.

Как отмечалось, СДВ и ДВ гораздо лучше дифрагируют, чем КВ и УКВ, однако дальность связи, обусловлена дифракцией, невелика.

Формула идеальной радиопередачи для случая распространения радиоволны излученных несимметричной вертикальной антенной имеет вид:

Где: Е – напряженность поля в мкВ/м;

- излучаемая мощность в Вт;

- расстояние от антенны в км.

Эта формула отличается от формулы идеальной радио передачи только коэффициентом, который изменился в связи с отражением волн от Земли и неравномерностью излучения вертикальной антенны в различных направлениях.

В реальных условиях в эту формулу вводится коэффициент затухания меньшей единицы, учитывающий поглощение энергии поверхностью Земли.

Распространение РВ в атмосфере

1. Строение атмосферы. Атмосфера – газовый слой окружающий Землю. Его высота до 25 тыс.км. В состав воздуха в основном входит азот и кислород. Плотность воздуха быстро убывает с высотой. На высоте 300 км. вакуум чище, чем в баллоне электронной лампы.

Нижний слой атмосферы высотой до 11 км называется тропосферой. В тропосфере сохраняется неизменный газовый состав. Температура на каждые 100 метров высоты понижается до 0.55˚с. А такие изменения давления и влажности, приводят к изменению диэлектрической проницаемости воздуха и искривлению лучей РВ – рефракции.

2. Ионосфера. Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение солнца ионизирует гази в стратосфере, расщепляя их атомы на электроны и положительно заряженные ионы. Степень ионизации оценивается электронной концентрацией N – числом свободных электронов в единице объема газа. Электронная концентрация достигает значительной величины на высотах от 50 до 500 км. На больших высотах она мала вследствие малой плотности воздуха, на более низких – в следствие недостаточной энергии ионизирующего излучения. Ионизированная область атмосферы называется ионосферой. Распределение электронной концентрации в зависимость от высоты не монотонно. Существует несколько максимумов ионизации, именуемых ионизированными слоями. Их образование обусловлено тем, что в верхних слоях атмосферы – стратосфере происходит нарушение пропорций газового состава, сказывается различие молекулярных весов различных газов.

Рис. 4.2 График изменения концентрации электронов с высотой

Электронная концентрация зависит от высоты солнца над горизонтом, т.е. от времени суток и года, географической широты. Максимума она достигает после полудня, а минимума – перед рассветом. На освещенной солнцем – «дневной» стороне земли, зимой существует три слоя: D – на высотах 60 – 90 км, Е – с максимумом ионизации на высоте 120 км и F – с нижней границей на высоте 220 – 250 км. В летние дни слой F распадается на два слоя – более низкий с максимумом на высоте 200 – 230 км и более высокий с нижней границей на высоте 300 – 400 км. На «ночной» стороне земли слой D из – за быстрой рекомбинации атомов исчезает. Электронная концентрация слоя Е с наступлением темноты уменьшается в 10 – 100 раз. Слои и сливаются.

Кроме суточных и годовых изменений степени ионизации, наблюдается одиннадцатилетний цикл связанный с изменением солнечной активности. Кроме регулярных изменений электронной концентрации происходят и нерегулярные ее нарушения.

Ионосферные возмущения. Время от времени на солнце происходят вспышки сопровождаемые извержением потока заряженных частиц (корпускул). Попадая в атмосферу они увлекаются магнитным полем земли. Это приводит к подъему и уменьшению концентрации слоя и нарушению его структуры. В приполярных областях слой может быть полностью разрушен. Это сопровождается магнитными бурями и полярными сияниями и может продолжаться от нескольких часов до двух суток.

Спорадический слой. возникает в результате проникновения корпускулярных (ядра гелия, протоны и ядра тяжелых элементов, а также электроны и нейтроны) и метеорных (состоит из метеоров, которые сгорают в атмосфере и не достигают земли) потоков на уровень слоя Е. Его ширина может достигать сотен километров. Из – за резкого усилия ионизации в этом слое возникает сильное поглощение коротких РВ.

Распространение РВ в ионосфере.

Под действием поля радиоволны возникают колебания свободных электронов ионизированного газа. Эти колебания – переменный ток противофазный току смещения.

Уменьшения последнего равноценно уменьшению диэлектрической проницаемости, которая оказывается равной:

Здесь: - число свободных электронов в 1 воздуха;

- частота в Гц.

Рис. 4.3 Преломление радиоволн в ионосфере

В пределах нижней половины ионизированного слоя электронная концентрация N растет, уменьшается. Это приводит к преломлению луча РВ, причем угол преломления оказывается больше угла падения. Луч искривляется, становится положе. Если в нижней половине слоя это искривление окажется достаточным для возникновения полного внутреннего отражения, то луч отразится на землю. Если нет, то в верхней половине слоя произойдет искривление луча в обратном направлении и он перейдет в следующий слой. Поскольку электронная концентрация каждого следующего слоя выше, чем предыдущего, описанный процесс в них выражен более резко. Если в слое не происходит отражения – луч уходит за пределы ионосферы (невозвращающийся луч).

Чем выше частота (короче волна), тем ближе значение к единице, тем слабее преломления луча. Поэтому волны УКВ диапазона не отражаются ионосферой. Чем длиннее волна тем ниже расположен отражающий слой.

Возможность отражения зависит от угла возвышения луча входящего в ионосферу – δ. Чем положе луч – тем ниже он отражается.

Критической называется максимальная частота волны, отражаемой при вертикальном ( ) зондировании ионосферы - . Зная можно вычислить электронную концентрацию отражающего слоя. Зная время распространения волны до точки отражения и обратно можно определить высоту этого слоя. На этом основана возможность экспериментального исследования ионосферы, организации службы радиопрогнозов.

Первое в нашей стране зондирование ионосферы было проведено под руководством М.А. Бонч – Бруевича в 1932 году.

Затухание РВ в ионосфере возникает в результате расхода части энергии волны колеблющимися электронами при их столкновении с молекулами газа. Оно максимально для волны длинной 200 метров (1.5 МГц), соответствующей резонансному числу столкновений в секунду. Затухание больше в нижних слоях, там где выше плотность газов.

Первое объяснение описанных процессов было дано академиком М.В. Шулейкиным в 1923 году.

Пример:. Какова критическая частота, если электронная концентрация равна

Указание: Воспользоваться формулой:

Ответ: .