В присутствии постоянного магнитного поля изменяются условия движения элек­тронов, вследствие чего изменяются и электрические параметры ионизированного газа.

     Диэлектрическая проницаемость ионизированного газа  в случае продольного распространения, когда волна распространяет­ся в направлении силовых линий постоянно­го магнитного поля, без учета потерь ( = 0), определяется формулой       

                                                                            (4.13)

где

     Линейно поляризованная волна  распадается на две составляющие, поляризованные по кругу и распространяющиеся с раз­ными скоростями, что характеризуется  раз­личными    знаками    в   (4.13).

     При   продольном распространении радиоволн происходит по­ворот плоскости поляризации — поворот вектора  в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, на угол

                                     (4.14)

где r — путь, проходимый волной в ионо­сфере.

     Это явление носит название эффек­та Фарадея.

     В другом  случае поперечного распространения, когда направление рас­пространения волны перпендикулярно к на­правлению силовых линии постоянного маг­нитного поля, волна распадается на обыкновенную и необыкно­венную составляющие.

    Для обыкновенной составляю­щей

и распространение происходит так же, как в отсутствие постоянного магнитного поля.

    Для  необыкновенной  состав­ляющей

                                             (4.15)

где

     После прохождения некоторого рассто­яния в ионосфере в присутствии постоян­ного магнитного поля большая ось эллипса поляризации волны поворачивается на угол, определяемый (4.14). Обыкновенная и не­обыкновенная составляющие отражаются на разной высоте в ионосфере. Для отра­жения необыкновенной составляющей нуж­на меньшая электронная плотность. Крити­ческая частота необыкновенной составляющей   выше, чем    обыкновенной    :

 =   + 0,7МГц,

что    используется   в  практике    радиосвязи.

     Экспериментальное исследование ионо­сферы ведется преимущественно  с помощью радиометодов, т. е. путем изучения условий прохождения и отражения радиоволн в ионосфере.

4.8. Вопросы для самопроверки

     1. Укажите   источники     ионизации    газа  в   ионосфере.   Какой    из источников является основным ?

     2. Какой процесс называется рекомбинацией ?

     3. Поясните особенности строения ионосферы.

     4. Запишите       выражение     для     определения    диэлектрической проницаемости ионизированного газа, поясните его.

     5. Почему   на   распространение   радиоволн   электроны   оказывают существенно большее влияние, чем ионы ?

     6. Как    изменяется    проводимость    ионизированного   газа,    если электронная плотность возрастает вдвое ?

     7. Какая  частота  называется  собственной частотой   ионизированного газа?

     8. Возможен   ли   волновой   процесс   в   среде,   где   относительная диэлектрическая проницаемость меньше нуля ?

     9. Какие среды называются диспергирующими ?

     10. Показать, что ионизированный газ является диспергирующей средой.

     11. Какой вид имеет график частотной зависимости коэффициента поглощения радиоволн в ионосфере ?

     12. Укажите  особенности  преломления  и  отражения радиоволн в ионосфере.

     13. Волна прошла в ионизированном газе некоторое  расстояние в направление силовых линий постоянного магнитного поля. Какие изменения произошли в структуре поля волны ?

     14. Какие составляющие электрического поля могут существовать в ионизированном газе, если направление распространения волны нормально к направлению силовых линий постоянного магнитного поля ?

5. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНОВ

     5.1.Особенности распространения сверхдлинных и длинных волн

     К диапазону сверхдлинных волн (СДВ) относят волны длиной от

10 000 до 100 000 м ( = 303 кГц), а к длинным волнам (ДВ) — волны от 1000 до 10 000 м (= 30030 кГц).

     Токи проводимости для диапазонов СДВ и ДВ существенно преобладают над токами смещения для всех видов земной поверхности. Поэтому при распространении поверхностной волны происходит лишь не­значительное проникновение ее энергии в глубь Земли. Сферичность Земли, служащая препятствием для прямолинейного рас­пространения радиоволн, до расстояний 1000—2000 км остается соизмеримой с дли­ной волны, что способствует хорошему оги­банию длинными волнами земного шара благодаря дифракции. Незначительные по­тери и огибание земной поверхности обу­словили возможность ДВ и СДВ распрост­раняться  земной  волной  на   расстояние до 3000  км.   При   этом   для   расстояния  500—600 км напряженность электрического поля   можно определять по (2.15), а для больших расстояний  расчет ведется  по законам дифракции.

     Начиная с расстояния 300—400 км по­мимо земной волны присутствует волна, отраженная от ионосферы. С увеличением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны уве­личивается, и на расстояниях 700—1000 км поля земной и ионосферной волн становятся примерно равными. Суперпозиция этих двух волн дает интерференционную картину поля.

     На расстоянии свыше 3000 км ДВ и СДВ распространяются только ионосферной волной. Для отражения длинных волн до­статочно небольшой электронной плотности, так что днем отражение этих волн может происходить на нижней границе слоя D, а ночью — на нижней границе слоя Е. Про­водимость в этой области ионосферы для ДВ довольно значительна (но в тысячи раз меньше, чем проводимость сухой земной поверхности) и токи проводимости оказыва­ются того же порядка, что и токи смеще­ния. Следовательно, нижняя область ионо­сферы для ДВ обладает свойствами полу­проводника.

     На ДВ и особенно на СДВ электронная плотность слоев D и Е меняется резко на протяжении длины волны. Поэтому и от­ражение здесь происходит как на границе раздела воздух — полупроводник, без проникновения радиоволны в толщу ионизиро­ванного газа. Этим обусловлено слабое по­глощение ДВ и СДВ в ионосфере.

     Расстояние от земной поверхности до нижней границы ионосферы составляет 60—100 км, т. е. того же порядка, что и длина волн (ДВ и СДВ), так что волны распространяются между двумя близко расположенными полупроводящими концен­трическими сферами, одной из которых яв­ляется Земля, а другой — ионосфера. Усло­вия  распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе (рис. 5.1).

     Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные  волны  — вол­ны, распространяющиеся с наименьшим за­туханием, и критическую волну. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, оптимальными являются волны длиной 25—35 км, а критической — вол­на длиной 100 км. Подобно законам рас­пространения радиоволн в обычных волно­водах, в сферическом ионосферном волно­воде фазовая скорость радиоволн превыша­ет скорость света в свободном пространстве. На частотах выше 10 кГц отличие фазовой скорости от скорости света невелико, примерно () - 1 = (15)10-3. Однако фа­зовая скорость изменяется с изменением расстояния от передатчика. Кроме того, она зависит от электронной плотности и числа столкновений электронов с молекулами в той области ионосферы, где происходит отражение радиоволн. Это приводит к не­стабильности фазы волны, главным образом в утренние и вечерние часы, когда меняется высота отражения длинных волн, что необ­ходимо учитывать при работе длинноволно­вых радионавигационных систем. Расчет напряженности электрического поля Еm (мВ/м) для ДВ и СДВ ведется по эмпирической формуле  Остина:

где r — расстояние по дуге большого круга Земли, км; q — соответствующий этому рас­стоянию центральный угол; Р — мощность передатчика, кВт; l — длина волны, км.

Рис. 5.1. Распространение ДВ и СДВ в

               волноводе Земля – ионосфера

Рис. 5.2. Ближние и дальние замирания на средних волнах:

1 – земная волна; 2 – волна, отразившаяся от ионосферы один раз;             3 – волна, отразившаяся от ионосферы дважды

Формула Остина применима для расстояний до 16 000—18 000 км над морем и сушей, при­чем в последнем случае начиная с расстоя­ний  2000—3000 км.

     Длинные и особенно сверхдлинные вол­ны мало поглощаются при прохождении в толщу суши или моря. Так, волны длиной 20—30 км могут    проникать в глубину моря на  несколько  десятков метров (см. табл. 2.1) и, следовательно, могут быть использованы для связи с погруженными подводными лодками, а также для подзем­ной радиосвязи.

    Основным преимуществом ДВ является большая устойчивость напряженности элек­трического поля: сила сигнала мало меняет­ся в течение суток и в течение года и не подвержена случайным изменениям. Необ­ходимая для приема напряженность элек­трического поля может быть достигнута на расстоянии более 20 000 км, но для этого требуются мощные передатчики и громозд­кие антенны.

     Недостатком диапазонов ДВ и СДВ яв­ляется невозможность применения их для передачи высококачественной разговорной речи или музыки и тем более изображений, так как для этого необходима широкая по­лоса частот. В настоящее время ДВ и СДВ используются главным образом для теле­графной связи на дальние расстояния, а также для навигации и наблюдения за грозами.

     В диапазоне ДВ и СДВ наиболее ин­тенсивно действуют атмосферные помехи, источником которых являются грозы. Во время грозового разряда возникает мощный импульс тока, носящий апериодический характер или характер затухающих колеба­ний и имеющий длительность

= 0,13 мс. Такой импульс создает непрерывный спектр частот с максимумом в области 3—8 кГц, спадающий в области высоких частот по закону 1/. В случае, когда помеха создает­ся грозой, происходящей недалеко от при­емного пункта (местной грозой), напряжен­ность поля помехи уменьшается обратно пропорционально частоте. Однако основным источником помех являются грозы, происхо­дящие в течение круглого года в экватори­альных районах земного шара — очагах грозовой деятельности. Частотная зависи­мость интенсивности помех, создаваемых очагами грозовой деятельности, иная, чем от местных гроз, так как она определяется еще и условиями распространения радио­волн от места возникновения помехи до точ­ки приема.

     Радиоволны различной длины, возни­кающие во время грозового разряда, рас­пространяются подобно волнам соответ­ствующих диапазонов. Количественное описание временных и географических изме­нений уровня атмосферных помех произво­дится статистическими методами, основан­ными на результатах обработки данных многолетних измерений. Для каждого се­зона года и для шести часовых интервалов времени суток составляют    карты    с изолиниями медианных значений напряжен­ности поля атмосферных помех на частоте 1 МГц. Со­ставляются также данные о статистическом распределении мгновенных значений напря­женности поля атмосферных помех, по ко­торым определяется вероятность появления выбросов помех большого уровня.

     5.2. Особенности распространения средних волн

     К диапазону средних волн (СВ) отно­сят радиоволны  l=1001000 м (= 0,343 МГц). Диапазон СВ используется для ра­диовещания, радионавигации, радиотеле­графной и радиотелефонной связи; СВ мо­гут распространяться как земными, так и ионосферными волнами.

     Напряженность электрического поля земных волн определяется для малых расстояний по (2.15), а для больших расстояний — по законам дифракции.  СВ испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, по­этому дальность распространения земной волны ограничена расстоянием 1000 км. Следует также учитывать, что неровности земной поверхности снижают эффективную проводимость почвы. Приближенно для рав­нинной местности              = (0,50,7) , для холмистой  =(0,150,2) , для районов вечной мерзлоты .

     На большие расстояния СВ распрост­раняются только в ночное время путем от­ражения от слоя Е ионосферы, электронная плотность которого оказывается достаточ­ной для этого. В дневные часы на пути распространения СВ расположен слой D, ко­торый чрезвычайно сильно поглощает энер­гию этих волн. Поэтому при обычно при­меняемых мощностях передатчиков напряженность электрического поля на больших расстояниях оказывается недостаточной для приема и в дневные часы распространение СВ происходит практически только земной волной.

     Поглощение в диапазоне СВ возраста­ет с укорочением длины волны и напряжен­ность электрического поля ионосферной волны больше на более длинных волнах. Поглощение увеличивается в летние месяцы и уменьшается в зимние месяцы. Ионо­сферные возмущения не влияют на распро­странение СВ, так как слой Е мало нару­шается во время ионосферно-магнитных бурь.

     Замирания на средних волнах наблю­даются только в ночные часы, когда на не­котором расстоянии от передатчика возмо­жен приход одновременно пространственной и поверхностной волн в точку В (рис.5.2) причем длина пути пространственной волны меняется с изменением электронной плот­ности ионосферы. Изменение разности фаз этих волн приводит к колебанию напряжен­ности электрического поля во времени, на­зываемому ближним  замиранием. На значительное расстояние от передатчи­ка   (точка  С) могут  прийти  волны  путем одного или двух отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн также приводит к колебанию напряженно­сти поля, называемому дальним  замиранием. Скорость замираний неве­лика (период замираний составляет 1 — 2  мин).

     Для борьбы с замиранием на передающем конце радиолинии применяются ан­тенны с диаграммами направленности, при­жатыми к земной поверхности. При такой диаграмме направленности зона ближних замирании удаляется от передатчика, а на больших расстояниях поле волны, пришедшей путем двух отражений, оказывается ослабленным.

      Напряженность поля ионосферной вол­ны на расстояниях >300 км определяется по графикам, полученным в резуль­тате обработки большого числа наблюдений [7].

   5.3. Особенности распространения коротких волн

     К диапазону коротких поли (KB) относят волны длиною от 10 до 100 м ( = 303 МГц). Волны KB диапазона распростра­няются земной волной на расстояние не бо­лее 100 км вследствие сильного поглощения в земной поверхности и плохих условий ди­фракции. Расчет напряженности поля земной волны следует вести по (2.15).

     Ионосферной волной KB распространя­ются на многие тысячи километров. При этом можно применять направленные антен­ны и передатчики не очень большой мощно­сти. Поэтому KB используются главным об­разом для связи и вещания на большие рас­стояния.

     Распространение KB ионосферной вол­ной происходит путем последовательного от­ражения от слоя F (иногда слоя E) ионосфе­ры и поверхности Земли. При этом волны проходят через нижнюю область ионосфе­ры — слои E и D, в которых претерпевают поглощение (рис.5.3,а). Для осуществле­ния радиосвязи на KB должны быть выполнены два условия: волны должны отражать­ся от ионосферы и напряженность электро­магнитного поля в данном месте должна быть достаточной для приема, т. е. поглоще­ние волны в слоях ионосферы не должно быть слишком большим. Эти два условия ограничивают диапазон применимых рабочих частот.

     Для отражения волны необходимо, что­бы рабочая частота была не слишком высо­кой, а электронная плотность ионосферного слоя достаточной для отражения этой волны в соответствии с (4.9). Из этого условия выбирается максимальная применимая ча­стота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона.

     Второе условие   ограничивает   рабочий диапазон снизу:   чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового   диапазона), тем сильнее поглощение волны   в ионосфере (см. рис.4.2). Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия, что при данной мощности    передатчика    напря­женность электромагнитного   поля   должна быть достаточной для приема.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9