Влияние атмосферы на распространение электромагнитного поля

В различных частях атмосферы она по-разному влияет на распространение радиоволн.

В нижней части неоднородность атмосферы в основном связана с изменением показателя преломления с высотой. С ростом высоты уменьшается давление и число частиц в единице объема (см. рис. 5.11). Это в свою очередь приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости атмосферы и ее показателя преломления. В пределах тропосферы показатель преломления мало отличается от единицы, поэтому в инженерных расчетах используют другую величину — индекс преломления N.

N = (n-1)106. (5.37).

Индекс преломления для тропосферы колеблется в пределах 250 — 450. При увеличении высоты от поверхности Земли в пределах нескольких километров индекс преломления падает практически линейно со скоростью.

. (5.39).

В большинстве случаев можно не учитывать столь незначительное изменение показателя преломления. Однако случаются ситуации, когда необходимо знать точное значение угла, под которым приходят радиоволны. В этом случае не учет изменения индекса преломления приведет к ошибке.

Атмосфера вносит затухание. Эксперимент показывает, что на частотах ниже 1ГГц затухание в чистом воздухе пренебрежимо мало. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн лежат полосы поглощения кислорода и водяного пара и на некоторых частотах поглощение резко возрастает.

В ионосфере неоднородность связана с изменением концентрации электронов. Ионосфера, как и любой другой ионизированный газ в зависимости от плазменной круговой частоты, а значит и от концентрации электронов изменяет свою комплексную диэлектрическую проницаемость (см. 3.56). Воспользуемся формулой для комплексной диэлектрической проницаемости (см. 2.1.5) и запишем выражение для абсолютной диэлектрической проницаемости и электрической проводимости ионосферы.

.

где 0 — плазменная частота, которая рассчитывается по выражению (3.55).

Подставим в последнее выражение численные значения и найдем соотношение, связывающее плазменную частоту и концентрацию электронов.

. (5.40).

Если не учитывать столкновения, то выражение для диэлектрической проницаемости упростится.

. (5.41).

Зная диэлектрическую проницаемость, найдем волновое число для плоских волн в ионосфере. Без учета столкновений (см. 3.59).

. (5.42).

На низких частотах, пока f.

Пусть электромагнитное поле падает на ионосферу под произвольным углом. В ионосфере появится преломленная волна, и угол преломления можно найти из закона Снеллиуса. Считая коэффициент преломления в нижней части атмосферы равным единице, получим:

(5.43).

Определим частоту, начиная с которой волны ни при каких обстоятельствах не отражаются атмосферой. Для этого максимально возможный угол падения должен быть меньше угла, при котором наступает полное отражение. На рис. 5.13 источник электромагнитного поля находится в точке А. Максимально возможный угол падения на границу раздела с ионосферой будет достигнут тогда, когда излучение идет по касательной к поверхности Земли и попадает в точку В. В этом случае.

Если найти ту наименьшую частоту, на которой еще существует полное отражение, то на всех частотах меньше найденной полное отражение возможно, а на тех, которые больше ее — невозможно. Эту частоту можно найти так:

;. (5.44).

При NЭ = 21 012м-3,, RЗ = 6370 км, h = 400 км получим fгр = 39,6МГц.

Таким образом, начиная с УКВ диапазона, электромагнитные волны проходят через атмосферу, не отражаясь.

Когда радиоволна падает на ионосферу, ее путь частично проходит через ионизированный газ, что приводит к следующим эффектам.

• 1. Ионосфера обладает конечной электрической проводимостью из-за столкновений электронов между собой и с нейтральными атомами. Из-за этого возникают потери. Если длина ионосферного участка трассы значительна, то затухание может достигать десятка децибел.
• 2. Ионосфера находится в магнитном поле Земли и при распространении электромагнитного поля в ней возникают все те эффекты, которые рассмотрены в разделе 4.5. Если электромагнитная волна имела линейную поляризацию, то плоскость поляризации поворачивается из-за эффекта Фарадея. Кроме того, за счет эффекта Коттона-Мутона волна приобретет эллиптическую поляризацию. Изменение поляризации плоских волн приводит к дополнительным потерям.
• 10. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов

Распространение сверхдлинных волн.

Частота колебаний для сверхдлинных волн не превышает 30 килогерц. В этом диапазоне любые природные среды хорошо отражают радиоволны, приближаясь по своим свойствам к проводнику. С другой стороны эти волны отражаются от самых нижних слоев ионосферы. Кроме того, расстояние от поверхности Земли до ионосферы сравнимо с длиной волны и анализ структуры поля нужно проводить с точки зрения волновой теории. Электромагнитные волны находятся в приземном сферическом волноводе и могут распространяться на очень большое расстояние. Из-за весьма большой длины волны они проникают под поверхность почвы и воды, что позволяет создавать системы подземной и подводной связи. Наряду с перечисленными свойствами сверхдлинные волны обладают рядом существенных недостатков. Это, во-первых, очень малое значение несущей частоты. Из-за этого сложно получить достаточную полосу модуляции. Во-вторых, для этих волн невозможно изготовить эффективную антенну. Известно, что размеры эффективной антенны должны быть порядка длины волны или больше ее. Сделать это для сверхдлинных волн невозможно. Перечисленные недостатки настолько существенны, что сверхдлинные волны используются крайне редко.

Распространение длинных волн.

Частота длинных волн не на много больше, чем у сверхдлинных. Основные закономерности поведения электромагнитных волн сохраняются, но уменьшение длины волны (= 10 — 1км) приводит к проявлению новых тенденций, которые полностью вступают в силу на более коротких волнах. Длина волны, особенно в конце диапазона, много меньше промежутка земная поверхность — ионосфера, и этот промежуток уже нельзя рассматривать как сферически волновод. С достаточной для практики точностью можно пользоваться не волновой теорией, а геометрической оптикой. В точку приема приходят две волны: земная, распространяющаяся по прямой между источником и приемником, и ионосферная, попадающая в точку приема после отражения от ионосферы. Длинные волны при отражении частично поглощаются, и подстилающую поверхность в этом диапазоне чаще всего нужно считать неидеальным металлом. Длина волны сравнима с характерными неровностями поверхности, что приводит к дополнительным потерям за счет дифракции.

Экспериментально определено, что при расчете параметров поля в точке приема для длинных волн по выражениям (5.2) или (5.23) в правой части нужно учитывать дополнительное ослабление:

(5.45).

где r и подставляются в километрах. Если не учитывать эту поправку, то можно внести большую погрешность в расчет. Например, при расстоянии между приемником и источником r = 5000 км и = 2 км, VДВ = 0,005.

Основные области применения длинных волн — радиовещание и служебная телефония. Частотный диапазон для длинных волн составляет всего 270кГц. Это обстоятельство сильно ограничивает число радиоканалов, способных одновременно работать в длинноволновом диапазоне.

Распространение средних волн.

В этом диапазоне длина волны еще короче и сравнима с неоднородностями в ионосфере. Условия распространения волн различны в дневное и ночное время. Днем существует D слой, но электронная плотность в нем такова, что средние волны проходят через него и отражаются от следующего Е слоя. В D слое волны претерпевают сильное ослабление, из-за чего днем ионосферная волна практически отсутствует. В дневное время средние волны распространяются как земные волны на сравнительно короткое расстояние порядка 1000 километров.

Ночью D слой исчезает и нет условий для ослабления ионосферной волны. Средние волны распространяются как ионосферные на несколько тысяч километров. Но здесь возникают свои трудности. В ионосфере существуют неоднородности электронной плотности. При широкой диаграмме направленности приемной антенны в точку приема приходит не одна волна, а несколько. Ионосферные слои нестабильны и неоднородны, и координаты точек отражения все время меняются, а значит, изменяются фазы волн, приходящих в точку приема. Эти сигналы складываются. Относительная разность фаз сигналов все время изменяется, следовательно, будет изменяться амплитуда суммарного сигнала. Возникают замирания. Чтобы это явление не влияло на качество принятого сигнала, используют системы автоматизированной регулировки усиления (АРУ). Иногда используют нескольких антенн, разнесенных в пространстве на несколько длин волн. В суммарном сигнале замирание значительно меньше, чем в одиночном.

Распространение коротких волн.

Для этого диапазона интервал длин волн 100 -10 метров, что соответствует интервалу частот 3 — 30 МГц. Длина волны не слишком велика и удается создать антенны приемлемых габаритов с достаточно высокой направленностью. С другой стороны короткие волны, в особенности длинноволновая часть спектра, хорошо отражаются от ионосферы и волны хорошо распространяются, как ионосферные. Все это позволяет проводить эффективную связь на большие расстояния. Линии связи, как правило, используют коротковолновый диапазон.

Для связи в КВ диапазоне используют слои Е или F. При организации связи нужно учитывать, что в дневное время существует D слой. Проходя через него, короткие волны сильно поглощаются. Нужно либо согласиться с этими потерями, либо, контролируя параметры ионосферы, организовать связь так, чтобы волны отражались от D слоя.

Проектирование линий связи в коротковолновом диапазоне требует сведений о характере распределения электронной плотности в ионосфере применительно к конкретному времени суток и к известным географическим координатам точек размещения источника и приемника сигнала. При проектировании выбирается конкретный слой в ионосфере, который предполагается использовать как отражающий.

Пусть необходимо организовать связь на расстоянии ?, используя в качестве отражателя слой в ионосфере с концентрацией электронов NЭ, находящийся на высоте h. Геометрия задачи, рис. 5.14, позволяет рассчитать угол, под которым необходимо направить электромагнитное поле на ионосферу и частоту, на которой следует проводить связь. Рассчитаем угол.

sin = 2h/?; = 900 —. (5.46).

Теперь определим максимальную частоту, которая еще будет отражаться от выбранного нами слоя (см. 5.44).

.

где f0 определяется концентрацией электронов в отражающем слое (см. 5.40). Эта частота называется максимально применимой частотой (МПЧ). Все сигналы с более низкой частотой будут отражаться от выбранного слоя, а с более высокой частотой — проходить выбранный слой без отражения. Для устойчивости связи рабочую частоту выбирают процентов на двадцать ниже МПЧ.

Ионосферный механизм распространения коротких волн приводит к тому, что они не могут попасть в точки земной поверхности, находящиеся под точкой отражения. Участки вдоль трассы, в которых отсутствует сигнал, называют зонами молчания.

Короткие волны могут распространяться, отразившись несколько раз от Земли и ионосферы. Поэтому на коротких волнах возможна связь на большие расстояния.

Как и в среднечастотном диапазоне, и даже в большей степени, на коротких волнах наблюдаются замирания сигнала. Меры борьбы с этим явлением те же, что и в средневолновом диапазоне.

Распространение ультракоротких волн.

Электромагнитные волны этого диапазона практически не отражаются от ионосферы, поэтому линии связи УКВ диапазона, как правило, работают на земных волнах в условиях прямой видимости.

Максимальное расстояние, на которое возможна связь, определяется высотой источника и приемника (см. 5.19).

.

На самом деле это расстояние несколько больше, так как из-за градиента коэффициента преломления электромагнитное поле распространяется не по прямой линии, а слегка искривляется.

Вторая особенность в распространении УКВ у поверхности Земли — многолучевость при широкой диаграмме направленности источника и приемника. При расчете поля нужно пользоваться интерференционным множителем (5.24). Амплитуда сигнала на входе приемника будет зависеть от частоты и от высоты антенны над поверхностью Земли (см. рис. 5.6). Чтобы бороться с интерференционными явлениями следует сужать диаграмму направленности приемной антенны.

Для дальней УКВ связи необходимы специальные условия, которые обеспечили бы отражение сигнала и последующую его передачу в точку приема. Чаще всего для этого используются искусственные спутники Земли или неоднородности в тропосфере или в нижних слоях ионосферы. Турбулентные неоднородности всегда присутствуют в нижней части атмосферы на высоте 10 — 20 километров, а в нижних слоях ионосферы на высоте 60 — 100 километров часто возникают следы от метеоритов. Это высоко ионизированные плазменные образования, имеющие высокую отражательную способность, но существующие всего несколько секунд.

Задачи и упражнения.

• 1. Параметры морской воды = 75; э = 4См/м на частоте 100 МГц. Сравните степень выраженности процессов поляризации и электропроводности на этой частоте.
• 2. Определите частоту, на которой амплитуда тока смещения и тока проводимости будут одинаковы

В сухой траве э = 0.001См/м, = 4;

в морской воде э = 4106См/м, = 80;

3. Плоская волна распространяется в сухой почве с параметрами = 4, = 1, э = 0,001См/м. Определите постоянную распространения, постоянную затухания, волновое число, волновое сопротивление среды и фазовую скорость для частот:

f1 = 15кГц, f2 =1,5МГц, f3 = 0,15 ГГц.

Найдите расстояние, на котором амплитуда волны уменьшится в 106.

• 4. Провести те же расчеты для морской воды: = 80, = 1, э = 4См/м.
• 5. Найти отношение плотности тока смещения и тока проводимости для случаев, рассмотренных в 5.1, 5,2.
• 6. Рассчитать мощность и амплитуду напряженности электрического поля на расстоянии 2 километра от источника в свободном пространстве на частотах 10 и 100 мегагерц. Излучаемая источником мощность 1Вт. Коэффициент направленного действия источника и приемника одинаков D1 = D2 = sin, где — угол между прямой, соединяющей приемник и источник, и выбранным направлением. Как изменятся эти величины, если на месте приемника установить отражатель с коэффициентом отражения 0,9, а сигнал принимать в том же месте, в котором расположен источник.
• 7. Рассчитать площадь первых восьми зон Френеля на расстоянии 500 м от источника электромагнитных волн, для двух частот излучения 10Мгц и 100Мгц. Каков размер существенной для передачи сигнала области на половине расстояния между источником и приемником?
• 8. На частоте 100 мегагерц ведется связь на расстоянии 1 км. Сигнал принимается двумя приемниками, расположенными один за другим. На каком расстоянии нужно расположить приемники для того, чтобы фаза сигнала у них отличалась на 1800. Рассчитайте амплитуду множителя ослабления в обоих случаях в приближении плоской Земли. Источник находится на высоте 50 м, а приемник на высоте 10 м. Как изменится амплитуда сигнала, если считать Землю сферой радиусом 6370 км.
• 9. Связь с внеземным объектом производится под углом 450 к горизонту. Определите, на какой минимальной частоте еще возможна связь, если максимальная плотность ионосферы составляет 21 012м-3.
• 10. Связь с внеземным объектом производится на экваторе под углом 600 к горизонту в направлении север/юг на частоте 50 мегагерц. Электромагнитное поле линейно поляризовано. Электрический вектор расположен в плоскости, перпендикулярной поверхности Земли. Определите, как изменится поляризация волн после похождения ионосферы. При расчете использовать упрощенную модель ионосферы в виде слоя, расположенного на высоте от100 до 1000 км с электронной плотностью 1012м-3. Магнитное поле Земли на экваторе 0,35Э. 1Э = 103/4 А/м.