Распространение ультракоротких волн

В диапазоне ультракоротких волн (УКВ) проводимость ионосферы выражена весьма слабо. Ее диэлектрическая проницаемость настолько близка к диэлектрической проницаемости нижних слоев атмосферы, что УКВ проходят сквозь ионосферу, не получив достаточного преломления для отражения к Земле. Таким образом, в большей части диапазона УКВ связь ионосферными волнами исключена, несмотря на минимальные потери энергии в ионосфере.

Если высоты передающей (h ₁) и приемной (h ₂) антенн достаточно велики (рис. 6), а передающая антенна излучает волны в достаточно малом телесном угле, то радиосвязь осуществляется за счет прямых лучей 1, которые распространяются, как в свободном пространстве. Такие условия встречаются в радиолокации, радиорелейной связи и связи с космосом при использовании дециметровых и большей части сантиметровых волн. На более коротких волнах (λ < 3 см) также возможна связь прямыми лучами, но с тем отличием, что энергия распространяемых волн частично поглощается в атмосфере.

Поглощение усиливается по мере уменьшения длины волны. На миллиметровых волнах к тому же наблюдается резонансное поглощение кислородом (при λ = 5; 2,5; 1,7 мм) и парами воды (λ = 1,33 см) воздуха. Молекулы кислорода представляют собой электрические диполи, а молекулы водяного пара – магнитные. Электромагнитные волны возбуждают колебания диполей. При наступлении резонанса амплитуда этих колебаний возрастает, в связи с чем усиливается поглощение волн диполями.

Рис. 6. Лучи волн УКВ при больших высотах антенн.

На метровых волнах, а иногда и более коротких не удается избежать облучения земной поверхности. Тогда при антеннах, возвышающихся над горизонтом, радиосвязь осуществляется за счет интерференции прямых лучей (1) и отраженных (2) от Земли. Отсюда происходит название пространства над геометрическим горизонтом – область интерференции. В момент отражения волны последняя изменяется не только по направлению. Происходящие изменения могут быть учтены комплексной величиной, называемой коэффициентом отражения р. Модуль коэффициента отражения р показывает, во сколько раз изменилась амплитуда напряженности поля, а аргумент этого коэффициента φ – какое приращение получил фазовый угол поля в момент отражения. Численные значения р и φ зависят от поляризации и длины волны, от электрических свойств Земли и в ряде случаев от угла наклона лучей δ. Идеализируя процесс отраженная волн, принимают р = 1, а φ = 180°, т.е. считают, что в момент отражения от Земли амплитуда волны сохранилась неизменной, а фаза изменилась на обратную. Такое приближение для УКВ возможно, если отражающая поверхность гладкая и обладает высокой удельной проводимостью, а волны поляризованы горизонтально и падают под небольшими углами δ. Если же эти условия не выполняются, то модуль р ≠ 1 и угол φ < 180°.

Если прямой луч 1 (рис. 7) касается земной поверхности, длина его до приемной антенны является дальностью геометрической видимости r ₀, которая складывается из отрезков АВ и ВС, равных, в свою очередь,

где R ₀ = 6 370 км – радиус Земли.

Так как h ₁ и h ₂ намного меньше R ₀, то можно записать

Заметим, что здесь дальность геометрической видимости r ₀ выражена в километрах, а высоты передающей h ₁ и приемной h ₂ антенн – в метрах.

Рис. 7. Определение дальности геометрической видимости.

Увеличение дальности связи сверх r ₀ при данных h ₁ и h ₂ означает прием ниже линии горизонта (в электромагнитной тени). Это уже область дифракции. На УКВ, где длина волны не превышает 10 м, дифракция выражена весьма слабо. Более существенную роль в приеме УКВ за пределами геометрической видимости играет тропосферная рефракция, обусловленная плавным изменением показателя преломления воздуха. Из-за рефракции радиогоризонт не совпадает с геометрическим горизонтом. В нормальных условиях показатель преломления тропосферы уменьшается на 4·10^-6 с увеличением высоты на 100 м. Это вызывает рост фазовой скорости и искривление луча, как в ионосфере. В нормальной атмосфере радиус кривизны луча уменьшается от ∞ (прямолинейное распространение) до 25 000 км (луч 1 на рис. 8). Дальность связи соответственно увеличивается до

Рис 8. Лучи радиоволн при атмосферной рефракции.

Это иллюстрируется рис. 9: при высотах антенн h ₁ и h ₂ предельное расстояние прямой видимости равно АВ, а из-за тропосферной рефракции дальность увеличивается до АС.

Рис. 9. Увеличение дальности связи в результате атмосферной рефракции.

В тех случаях, когда изменения с высотой температуры, давления и влажности отклоняются от нормальных, возникает аномальная тропосферная рефракция. Ее разновидности: сверхрефракция (частный случай – атмосферный волновод) и отрицательная рефракция.

Сверхфракция наблюдается при большем уменьшении показателя преломления с высотой, чем в «нормальных» условиях. Это происходит при температурной инверсии (повышении температуры с высотой) и резком понижении влажности над Землей, например, летом, когда с наступлением ночи Земля охлаждается быстрее, чем воздух верхних слоев тропосферы, или над морской поверхностью, когда с суши приходит теплый воздух и нагревает самые нижние слои тропосферы. При сверхрефракции радиус кривизны луча R становится меньше 25 000 км. В частности, если уменьшение показателя преломления тропосферы на каждые 100 м высоты достигает 16·10^-6, радиус кривизны R оказывается равным радиусу Земли, 6370 км (см. луч 2 на рис. 8). При более быстром уменьшении показателя преломления радиус R еще более уменьшается и тогда радиоволны падают под некоторым углом на землю, отражаются от нее, вновь преломляются в тропосфере, вторично отражаются от Земли и т. д. (луч 3). Создается так называемый атмосферный волновод. При наличии сверхфракции особенно атмосферного волновода, волны УКВ диапазона распространяются далеко за пределы геометрической видимости: радиогоризонт оказывается значительно больше геометрического.

Реже встречаются случаи отрицательной рефракции, когда показатель преломления увеличивается с высотой. Тогда знак радиуса кривизны радиолуча изменяется на обратный, луч (4) оказывается обращенным выпуклостью вниз, а дальность связи получается меньшей (радиогоризонт меньше геометрического).

К числу случайных факторов, влияющих на распространение радиоволн, относится спорадический ионизированный слой Е_s. Последний возникает на уровне слоя Е, но отличается от него в несколько раз большей плотностью ионизации. Слой Е_s способен отражать короткие и даже частично ультракороткие (метровые) волны.

Поиск по сайту: