Рис. 2.2. Расстояние радиоволн на неровностях

 земной поверхности

Рис 2.3. Расстояние прямой видимости

                 без учёта и с учётом рефракции

2.4. Классификация  случаев  распространения земных радиоволн

     При расчете напряженности поля зем­ных радиоволн атмосферу принимают за среду без потерь с  ε=1, а необходимые по­правки, учитывающие влияние атмосферы,  вводят дополнительно.

     Влияние земной поверхности на условия распространения радиоволн можно свести к двум случаям: первый — излучатель или приемная антенна подняты высоко (в мас­штабе длины волны) над поверхностью Зем­ли, второй - передающая и приемная ан­тенны находятся в непосредственной близо­сти от Земли.

В первом случае, типичном для ультра­коротких и частично коротких радиоволн, метод расчета напряженности поля зависит от протяженности радиолинии  по сравне­нию с расстоянием «прямой видимости»  (рис.2.3), вычисляемым по формуле

                         (2.11)

где  = 6,37106 м — радиус Земли;   и   — высоты подъема антенн, м.

     При    протяженности    радиолинии    < <0,2    земную поверхность можно считать плоской,  при  0,2 <  <0,8   вносятся   поправки на сферичность земной поверхности, при  > 0,8 расчет напряженности поля ве­дется  с учетом  дифракции  радиоволн.

     Во втором случае, относящемся глав­ным образом к средним и длинным волнам, при протяженности радиолинии не более: 300-400 км (для λ, 200-20000 м); 50-100 км (для λ, 50-200 м); 10 км (для λ, 10-50 м) земную поверхность считают плоской. На радиоли­ниях большей протяженности расчет напря­женности поля ведется с учетом дифракции.

     2.5. Поле излучателя, поднятого над плоской земной поверхностью

     В этом случае волна достигает земной поверхности на значительном (в масштабе длины волны)  расстоянии от излучателя и участок фронта волны вблизи земной по­верхности можно считать плоским. На ра­диолинии малой протяженности   < 0,2 o поле в месте приема является результатом ин­терференции полей прямой волны и волны, отраженной от плоской земной поверхности (рис.2.4), причем напряженность электри­ческого поля отраженной волны определя­ется при помощи коэффициентов отражения Френеля. Прямая волна распространяется по пути АВ, отраженная по пути АСВ, а линия АО есть направление максимального излучения передающей антенны. Результи­рующее поле определяется интерференционной формулой

                                      ,                   (2.12)       

где   определяется из (1.1),

     Углы θ1 и θ2 обозначены на рис. 2.4. Корень из трехчлена в этой формуле называют  интерференционным   множите­лем.

     Коэффициент отражения от земной поверхности Гв.г определяют для соответствующей    поляризации по формулам (2.7),(2.8). Для слабо направленных антенн из-за того, что в ши­роком интервале углов   D(θ2)/D(θ1) 1, интерференционная формула упрощается:

                           (2.13)  

    Присутствие земной поверхности изме­няет распределение поля излучателя в вер­тикальной плоскости. Диаграмма направ­ленности системы излучатель — Земля изре­зана многими лепестками, а диаграмма направленности самого излучателя F(θ) пред­ставляет огибающую этих лепестков. На рис.2.5 представлены результирующие диаграммы направленности систем верти­кальный вибратор — Земля  (а)  и горизонтальный вибратор — Земля (б), когда излу­чатель поднят на высоту             над поч­вой, принимаемой за идеальный диэлектрик.

     Для практически важного случая рас­пространения радиоволн скользящими лучами (θ стремится к 900 ) формула (2.12) может быть подвергнута дальнейшему упрощению.  Учиты­вая,  что  при этом  |Гв.г|  1, Фв.г    (рис. 2.1),  напряженность поля   Em (В/м) в зависимости  от  

Рис. 2.4. Распространение волн при поднятых антеннах

Рис. 2.5. Диаграммы направленности антенн, поднятых над поверхностью Земли

расстояния r (м), длины волны  (м), высоты расположения антенн ,  (м) и мощности Р (Вт) определяют по  формуле  предложенной Б.А.   Введенским:

                                                                            (2.14)

Если

то расчет по приведенной  формуле  дает хоро­шее   совпадение с результатами измерения.

2.6. Поле излучателя, расположенного вблизи плоской земной

       поверхности

     Действие на вертикальный вибратор идеально проводящей поверхности можно заменить действием фиктивного вибратора той же длины, расположенного симметрич­но основному вибратору относительно поверхности   (рис. 2.6). Тогда электрическое поле в дальней зоне непосредственно на поверхности определяется формулой

где  – действующая длина реального вибратора.

     Диаграмма направленности такой антенны имеет максимум излучения вдоль поверхности. Согласно граничным условиям вектор  направлен нормально к поверхно­сти, а следовательно, вектор распространения энергии направлен параллельно поверх­ности. Условия, близкие к рассмотренным наблюдаются на практике при распространении длинных волн над морской  поверхно­стью.

Когда источником радиоволн является горизонтальный вибратор, расположенный над идеально проводящей поверхностью на высоте, много меньшей длины волны, ток в зеркальном изображении вибратора имеет направление, противоположное току в са­мом вибраторе. Поля, создаваемые этими вибраторами вблизи поверхности, взаимно компенсируются, и результирующее поле оказывается равным нулю. При неидеальной проводимости земной поверхности полной компенсации не происходит, однако поле го­ризонтального вибратора значительно сла­бее поля вертикального вибратора, поэто­му наибольший интерес представляет ис­пользование вертикального вибратора.

     Если поверхность, вблизи которой рас­положен вертикальный излучатель (рис. 2.6,б), не является идеальным проводни­ком, то часть энергии радиоволн, распро­страняющихся от антенны, проникает в глубь земной поверхности. Следовательно, помимо составляющей П1г, направленной вдоль поверхности, имеется составляющая  П1в, направленная перпендикулярно к зем­ной поверхности, в результате чего суммар­ный вектор П1 направлен не параллельно земной поверхности, а следовательно, и век­тор напряженности электрического поля 1     направлен к земной поверхности под углом, не равным 90°, и помимо вертикальной со­ставляющей напряженности электрического поля  имеется горизонтальная составля­ющая Е1г. На основании приближенных

граничных условий Леонтовича — Щукина (устанавливает связь между векторами  и  электромагнитного поля первой среды на поверхности хорошо проводящей второй среды , где  - комплексное волновое сопротивление второй среды) получают соотношение между вертикальной и горизонтальной составляющими комплексных амплитуд напряженности элек­трического поля вблизи земной поверхности:

     Составляющие  и   поля сдвинуты по фазе, вследствие чего оно имеет эллип­тическую  поляризацию.  Строгие граничные условия   дают связь   между   комплексными амплитудами составляющих поля в воздухе и в земле:

     Однородная трасса. Для расчета Em1в непосредственно у поверхности, когда излучателем является вибратор, располо­женный вблизи полупроводящей поверхно­сти, применяют формулу, выведенную одновре­менно М.В. Шулейкиным и Б. Ван-дер-Полем:

Рис. 2.6. Структура поля вертикального вибратора,

расположенного вблизи поверхности: а – идеально проводящей; б - полупроводящей

Рис. 2.7. К расчёту дифракции радиоволн – схема

распространения волны над сферической поверхностью земного шара

                                                     (2.15)

где  определяется по (1.1);  |W| - множитель ослабления, являющийся функцией параметра,

                                         (2.16)

Для значений   > 25

                                                |W|  1/.                                                       (2.17)

     Неоднородная трасса. Напряженность поля над неоднородной трассой, состоящей из двух участков, электрические параметры которых резко отличаются, например при переходе с моря на сушу, определяется по (2.15), где множитель ослабления |W| подсчитывается как среднее геометрическое множителей    ослабления    двух    фиктивных однородных трасс:  где  и  - множители ослабления, вычисленные по (2.16) и (2.17) для трассы протяженностью ( + ) с параметрами  и  и  и . При вычислении  берут­ся параметры  и  ,  при вычислении  —параметры  и .

    Береговая рефракция. Фазовая ско­рость радиоволны, распространяющейся вблизи земной поверхности, зависит от ее
электрических параметров. При переходе радиоволны с моря на сушу (вблизи бере­говой линии) происходит изменение направ­ления распространения волны, называемое береговой рефракцией. Это созда­ет ошибку в определении направления при­хода радиоволн, что существенно для работы радионавигационных систем.

   2.7. Дифракция  радиоволн  вокруг сферической земной     поверхности

     Огибание радиоволнами препятствий, встречающихся па пути их распространения, называется дифракцией. Когда протя­женность радиолинии и высота расположе­ния антенн таковы, что область, существен­ная при распространении радиоволн (1-я зо­на Френеля), частично или полностью пере­крывается выпуклостью земной поверхности, то незакрытая часть 1-й зоны Френеля или зон следующих номеров, представляющих совокупность источников сферических волн, создают излучение не только в направлении первоначального движения волны, но и за выпуклостью  земной   поверхности.

Расстояния, близкие к пределу прямой видимости, когда 1-я зона Френеля закрыта только частично, называются областью полутени (рис. 2.7). Расстояния, при которых 1-я зона Френеля перекрыта пол­ностью,    называется  областью  тени.

В области тени расчет напряженности поля Еm (мВ/м) ведется по формуле предло­женной В.А. Фоком:

                                              (2.18)

где  Еm св определяется по формуле (1.1);  G — множитель ослабления, являющийся произведением трех функций,  G = U(x)V()V (), где U(x) — функция расстояния от пе­редатчика, r (м); V() V() —функции вы­соты подъема антенн передающей  и приемной , или, если функции выразить в де­цибелах, то G (дБ) равно

     Для определения функций U(x) и V(y) используются графики, имеющиеся в литературе.

    Расчет по этим графикам проводится главным образом для диапазона УКВ, где применяют антенны, высоко поднятые над земной поверхностью. Расчет напряженно­сти поля в диапазонах длинных, средних и даже коротких волн, когда антенны распо­лагают вблизи поверхности Земли, упроща­ется, поскольку  V() = V() = 1.

     2.8. Вопросы для самопроверки

     1. Записать выражение для определения тангенса угла потерь, дать необходимые пояснения.

     2. В каком диапазоне радиоволн плотность потоков смещения в  земной поверхности преобладает над плотностью токов проводимости ?

     3. При каких токах проводимости и  смещениях определяется граничная длина волны ?

     4. Указать особенности параметров радиоволн в полупроводящей среде.

     5. Пояснить, почему для осуществления радиосвязи с подводными лодками, находящимися в погруженном состоянии, применимы только длинные и сверхдлинные волны ?

     6. Какие коэффициенты определяют интенсивность отраженной и преломленной волн? Для каких видов поляризации эти коэффициенты определяются ?

     7. Поясните особенности отражения радиоволн от шероховатой поверхности.

     8. При каком условии шероховатую поверхность можно считать ровной ?

     9. Приведите классификацию случаев распространения земных радиоволн и поясните ее.

     10. Запишите интерференционную формулу и назовите условия ее применимости.

11. Запишите формулу Введенского. При каких условиях можно вести расчет напряженности поля по этой формуле.

12. Поясните особенности поля излучателя, расположенного вблизи плоской земной поверхности.

13. Какие составляющие имеет поле вертикального вибратора, расположенного вблизи полупроводящей поверхности земли ?

14. Запишите и поясните формулу Шулейкина-Ван-дер-Поля.

15. Укажите особенности расчета напряженности поля над неоднородной трассой, когда излучатель расположен вблизи плоской земной поверхности.

16. В каком диапазоне волн существенно сказываются ошибки в определении координат излучателя, вызванные береговой рефракцией ?

17. Каким образом учитывается дифракция радиоволн вокруг сферической земной поверхности при расчете напряженности поля ?

3.  ТРОПОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА       РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

     3.1.Состав и строение тропосферы

     Тропосфера — это ближайший к земной поверхности слой атмосферы, простираю­щийся до высоты 8—10 км в полярных ши­ротах и до 16—18 км в тропиках. В тропо­сфере содержится до 4/5 массы газов, составляющих атмосферу, и почти все коли­чество водяных паров.

    В электрическом отношении тропосфера представляет собой весьма неоднородную среду, вследствие чего в ней происходит искривление траекторий радиоволн, а сле­довательно, изменение направления прихо­да волны и напряженности поля на данном расстоянии.

    Чтобы учесть влияние тропосферы на распространение радиоволн, необходимо знать закономерности изменения  и , ко­торые определяются физико-химическими свойствами входящих в тропосферу газов. Относительный газовый состав тропосферы остается постоянным по всей высоте, изме­няется лишь содержание водяных паров, ко­торое зависит от метеорологических усло­вий и убывает с высотой.

    Нормальной тропосферой на­зывают такую гипотетическую тропосферу, свойства которой отображают среднее со­стояние реальной тропосферы. Нормальную тропосферу характеризуют следующими свойствами: давлением у поверхности Земли (р = 0,1013 МПа), температурой (T = 288 К) и относительной влажностью (S = 60%). С увеличением высоты на каждые 100 м давление уменьшается на 1,2 кПа, темпера­тура — на 0,55 К. Границей нормальной тропосферы считают высоту 11 км.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9