|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
Условия распространения радиоволнТема 4 Распространение 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
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: . Вопросы для самопроверки 1. Каков принцип деления радиоволн на диапазоны? 2. Как распределяются излученные антенной радиоволны в пространстве? 3. От каких факторов и как зависит поглощение радиоволн земной поверхностью? 4. Какую зависимость выражает формула идеальной радиопередачи (12.2) и при каких условиях ее можно использовать? 5. Какова структура земной атмосферы? 6. Что представляет собой ионосфера? 7. Чем характеризуется и от чего зависит интенсивность ионизации воздуха? 8. Как изменяется электронная концентрация с высотой, от каких регулярных факторов она зависит? 9. Какие нерегулярные факторы влияют на структуру ионосферы и каково их влияние? 10. От каких факторов и как зависит диэлектрическая проницаемость ионизированного воздуха? 11. Какова причина преломления луча РВ в ионосфере? 12. От чего зависит степень преломления? 13. Какова причина затухания РВ в ионосфере, от чего она зависит?
Поиск по сайту: |
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.009 сек.) |