Влияние шероховатости отражающей поверхности

Выражения для коэффициентов RВ и RГ были получены в предположении ров­ной отражающей поверхности, по крайней мере, в пределах области формирова­ния отраженной волны. Однако, реальная земная поверхность никогда не бывает абсолютно гладкой. Даже равнинная местность покрыта большим числом хаотически расположенных неровностей. Если не­большие неровности в среднем расположены равномерно, такую поверхность называют шероховатой (для УКВ это, например, взволнованная поверхность моря; для СВ и ДВ - небольшие холмы и здания). Отражение от неровной поверхности является рассеянным, поэтому напряжен­ность поля в направлении зеркального отражения будет меньше, чем для гладкой поверхности. Это ослабление можно учесть с помощью эффективного коэффициента отражения Rэфф, расчет коего достаточно сложен. Качественно «гладкость» поверхности можно оценить с помощью критерия Релея.

6.1. Критерий Релея. Пусть плоская волна отражается от неровной поверхности с максимальным разме­ром неоднородностей h (рис. 6.1). Часть мощности падающей волны отразится на верхнем уровне (b), часть - на нижнем (a). Плоскость m - m¢ является плоскостью равных фаз падающей волны. Определим фазовые отношения на плоскости, перпендикулярной направлению отражения волны n - n¢. Наибольшая разность фаз Dj будет между волнами, отражен­ными в т. т. D и B. Разность хода лучей mDn и m¢Bn¢ Dr = ABC = 2AB = 2hsinq, отсюда . Считается, что отражающую поверхность можно считать гладкой, если допустимые фазовые искажения на плоскости n – n¢

,

отсюда, собственно, критерий Релея

. (6.1)

Из (6.1) следует, что чем более полога траектория и чем больше l, тем слабее возмущающее действие неровностей. Например, для волны длиной l = 10 см при угле скольжения 50 hдоп = 14 см, а при уменьше­нии q до 0,50 hдоп возрастает до 1,4 м.

Критерий Релея носит приближенный характер, поскольку не учитывает форму неровностей, вид поляризации и т. п. Однако, качественно он правильно оценивает степень шероховатости отражающих поверхностей.

2. Закон Ламберта. Если отражающая поверхность является матовой, т. е. покрыта неоднородностями с h > hдоп по Рэлею, наблюдается диффузное, или рассеянное, отражение, при котором "яркость" отражающей поверхности во всех направлениях при равных углах скольжения примерно одинакова (рис. 6.2). Зависимость интенсивности J рас­сеянного сигнала от угла j описывается законом Ламберта

J = J0 cosj (6.2)

(J0 - значение J при j = 0), который был установлен в результате экспериментальных исследований яркости светящихся поверхностей. Закон Ламберта выполняется при наличии следующих условий:

1) концентрация неровностей постоянна на всей отражающей поверхности,

2) отражающая поверхность в среднем не отклоняется от плоскости,

3) неодородности не создают теневых областей, что справедливо, если неоднородностей имеют разме­ры £ l.

3. Отражающая поверхность Земли не бывает идеально гладкой или только шероховатой, поэтому отражение радиоволн зачастую носит полурассеянный характер с максимумом в направлении зеркального отражения (рис. 6.3). Чем короче волна, тем вероятнее выполнение условий, при которых отражение близко к диффузному. Это в первую очередь относит­ся к см и более коротким волнам.

7. Распространение радиоволн при наличии экранирующих препятствий

Оценим влияние экранирующего препятствия в предположении, что препятствие имеет форму непрозрачного клина. Такая аппроксимация при­меняется, если размеры препятствия (вершины клина) вдоль трассы << размера поперечного се­чения эллипсоида, существен­ного для распространения, а размеры поперек трассы >> этого размера. Пусть такое препятствие характеризуется высотой экранирования d, равной воз­вышению гребня клина над линией прямой видимости, соединяющей точки излучения A и приема B (рис. 7.1).

Если пренебречь физическими свойствами клина (s, m, e), то можно свести задачу к оптической дифракции, а именно, поле E в точке приёма определяется формулой E = F×E0, в которой E0 - поле в свободном пространстве, а F - дифракционный множитель

. (7.1)

Здесь (R1 - радиус первой зоны Френеля), , и - интегралы Френеля.

Изображение зависимостей C(u) и S(u) от u представляет собой спираль Корню. Изменчивость множителя F в зависимости от u (по сути, от высоты экрана, вы­раженной в зонах Френеля) представлена на рис. 7.2: F флуктуирует около 1 при d < 0, равен 0,5 при d = 0 и плавно понижается до 0 при d > 0.

Полученные результаты позволяют приближённо рассчитывать напряжённость поля на трассах, проходящих над остроконечными холмами и горными кряжами. Отметим, что независимо от формы препятствия с ростом длины волны дифракционные потери уменьшаются.

7.1. Эффект "усиления препятствием"

Наблюдается обычно на трассах УКВ протяжённостью 100 ¸ 150 км, проходящих через горные кряжи высотой 1 ¸ 2 км, и заключается в том, что напряжённость электрического поля радиоволны при некотором удалении от препятствия может оказаться большей, чем на таком же расстоянии от передающей антенны на трассе без препятствий. Теоретически эффект усиления радиосигнала вытекает из теоремы Фейнберга: задача о поле излучателя над идеально проводящей землей с выступом эквивалентна задаче о поле такого же излучателя и его зеркального изображения в свободном пространстве при наличии препятствия, имеющего форму выступа, состыкованного со своим зеркальным изображением.

Пусть на трассе имеется клиновидное препятствие (рис. 7.3), с вершины H которого видны как передающая антенна А, так и приемная В. В точку H приходят два луча: прямой (AH) и отраженный от земной поверхности (ACH). Они возбуждают вершину препятствия, в результате чего в точке В должна наблюдаться суперпозиция 4-х лучей: двух, возбужденных прямым лучом, и двух, воз­бужденных отраженным лучом. Обозначим длины путей распространения

r1 = AH + HB, r2 = AH¢ + H¢B, r3 = A¢H + HB, r4 = A¢H¢ + H¢B.

Тогда поле в точке приёма B

и

(7.2)

где RC и RD - коэффициенты отражения лучей от почвы в точках C и D. Практический интерес представляют пологие трассы, когда RC» RD» -1 и дифракционые множители F мало отличаются друг от друга. В этом случае из (7.2) следует, что |EB| £ 4E0m, т. е. поле радиоволны в точке приема В, находящейся за препятствием, не может превосходить 4-кратного значения поля при распространении в свободном пространстве.

Эффект усиления препятствием возможен, если потери при огибании пре­пятствия не слишком велики. Обычно абсолютное усиление поля невелико, одна­ко если длина трассы значительно превышает расстояние прямой видимости, так что точка приема при отсутствии препятствия находится в глубокой тени за горизонтом, эф­фект усиления может быть значительным. Практика показывает, что на таких трассах препятствие, выполняющее роль пассивного ретранслятора, способно увеличить напряжённость поля радиоволны на 60 ¸ 80 дБ по сравнению с дифракционным.

Поиск по сайту: