Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

Рис. 7.2. Распределение электронной плотности ионосферы по высоте.

ночью --------- , днём .

слой F1 существует только днём.

Степень ионизации ионосферы постоянно меняется и зависит от циклического изменения солнечной активности, времени года, времени суток, географических координат и других факторов. Огромное влияние на распространение радиоволн оказывают всплески солнечной активности,

сопровождающиеся дополнительным выбросом вещества и сильными магнитными полями. Они приводят к возмущениям ионосферы,

называемыми ионосферными бурями, которые резко изменяют условия распространения радиоволн. Корпускулярные потоки заряженных частиц захватываются магнитным полем Земли, что также приводит к магнитным бурям.

221

Рис. 7.3. Положение ионосферных слоёв.

Прямое доказательство существования ионосферы было получено только в 30-х годах прошлого столетия после вертикального зондирования ионосферы радиоимпульсом и приёме отраженного сигнала. Для проведения таких исследований в разных странах были созданы ионосферные станции.

Одна из первых в СССР станция была построена в Томске при Томском Гос-

ударственном Университете. По данным ионосферных станций можно опре-

делить значения максимальной электронной концентрации в каждом слое.

Существование ионосферы оказывает определяющее влияние на распростра-

нение радиоволн диапазонов ВЧ и ОВЧ. Начиная с УВЧ ионосфера влияет на связь со спутниками и при радиоастрономических исследованиях.

7.3. Распространение радиоволн в свободном пространстве

Под свободным пространством понимается однородная, изотропная, не поглощающая среда, относительные диэлектрическая и магнитная проницае-

мости которой равны единице. В такой среде волны распространяются пря-

молинейно с постоянной скоростью, равной скорости света.

При распространении радиоволн в свободном пространстве различные

222

его области не одинаково влияют на формирование полей. Область про-

странства, в которой распространяется основная часть передаваемой мощно-

сти, называют областью, существенной при распространении радиоволн.

Очевидно, что эта область охватывает пространство вблизи прямой, соеди-

няющей точки расположения передающей и приёмной антенн. Размеры и конфигурацию области, существенной при распространении радиоволн,

определяют исходя из принципа Гюйгенса.

Френель предложил геометрические построения, которые позволяют наглядно истолковать принцип Гюйгенса и определить размеры и конфигу-

рацию области, существенной при распространении радиоволн [12–14]. В

проекции на плоскость эти построения показаны на рис. 7.4. На рисунке в точке А находится передающая антенна, а в точке В приёмная, причём пред-

полагается, что они находятся друг относительно друга в дальней зоне, т.е.

расстояние АВ много больше длины волны λ.

Пусть на некотором расстоянии от точки А помещена бесконечная плоскость S, перпендикулярная линии АВ. Эту плоскость выберем в качестве поверхности, на которой расположены вторичные источники. Разобьем плос-

кость S на зоны Френеля. Границы зон определяются соотношениями

Рис.7.4. Построение зон Френеля на плоскости.

В такой трактовке в плоскости, поперечной направлению распространения,

первая зона Френеля представляет собой круг радиуса R1, вторая − кольцо

223

между окружностями с радиусами R1 и R2 и т.д. (рис. 7.5).

Рис.7.5. Зоны Френеля в поперечной плоскости.

Радиус зоны Френеля с номером n равен

Площади всех зон Френеля одинаковы и равны

Границы зон Френеля в плоскости распространения волны (продольная плоскость) приведены на рис. 7.6. Они имеют вид эллипсов с полюсами в

Рис. 7.6. Зоны Френеля в продольной плоскости.

точках А и В, в которых расположены антенны. Следовательно, в простран-

стве первая зона Френеля представляет собой эллипсоид вращения с осью вращения АВ. Зоны высших номеров – пространство между поверхностями

224

соседних эллипсоидов вращения. Таким образом, если мы ограничиваемся конечным числом зон, конфигурация области, существенной при распро-

странении радиоволн – это эллипсоид вращения с полюсами в точках распо-

ложения антенн.

Выясним, все ли зоны Френеля необходимо учитывать в результирую-

щем поле. Вернёмся к соотношениям (7.1). Согласно им, вторичные источни-

ки, расположенные на границах двух соседних зон, излучают волны, прихо-

дящие в точку наблюдения в противофазе. В практике распространения ра-

диоволн расстояние между излучателем и точкой наблюдения всегда велико по сравнению с длиной волны, т.е. всегда рассматриваются поля в дальней зоне. Следовательно, всегда выполняются условия, что ρ0 >>λ, r0>>λ. Такой результат обусловлен тем, что поля, создаваемые зонами высших номеров,

взаимно компенсируются. Другими словами, результирующее поле в точке наблюдения, в основном, создаётся волнами вторичных излучателей, распо-

ложенных в пределах первых нескольких зон Френеля. Вклад остальных зон пренебрежимо мал.

Эллипсоид существенной области пространства тем больше вытянут,

чем меньше длина волны λ. При λ→ 0 эллипсоид вырождается в линию

(луч), соединяющую источник и точку наблюдения. Это приближение назы-

вается геометрической оптикой. В общем случае такая замена справедлива и для радиоволн других диапазонов, но только при отсутствии препятствий ко-

нечных размеров, когда геометрическая оптика дает принципиально невер-

ные результаты. Например, полное отсутствие поля в области тени (за пре-

пятствием). Заметим, что подход, основанный на принципе Кирхгофа и зонах Френеля, называется физической оптикой.

Основными потерями в радиолинии называют ослабление мощности радиоволн в свободном пространстве. Это ослабление определяется при не-

направленных антеннах как отношение мощности сигнала на входе приёмной антенны Р2 к мощности излучения передающей антенны Р1 и выражается в дБ:

225

При этом предполагается, что напряжённость поля убывает обратно пропор-

ционально расстоянию. Таким образом, основные потери в радиолинии это естественное убывание амплитуды поля за счёт сферической расходимости волны.

7.4.Факторы, влияющие на распространение радиоволн

Вбольшинстве случаев радиолинии находятся в непосредственной близости от Земли. В этом случае при распространении радиоволн проявля-

ются такие физические явления как интерференция, дифракция, рефракция и рассеяние.

Интерференция – сложение в пространстве двух или нескольких волн,

при котором в разных точках пространства получается усиление или ослаб-

ление амплитуды сигнала.

Дифракция – отклонение распределения волнового поля от распределения, предписываемого законами геометрической оптики.

Рефракция – плавное изменение направления распространения волн в неоднородной среде, обусловленное зависимостью фазовой скорости от пространственных координат. Рефракция радиоволн в ионосфере связана с изменением её показателя преломления. Рефракция радиоволн в тропосфере связана с зависимостью от высоты плотности воздуха, его состава и температуры.

Рассеяние радиоволн – явление, обусловленное наличием в среде, в

которой распространяется волна, флуктуаций, вызывающих нерегулярные локальные изменения свойств среды, вследствие чего в ней возникают вторичные волны, распространяющиеся в направлениях, отличных от направления падающей волны, и не когерентные с падающей волной.

Основные факторы, влияющие на распространение радиоволн, это:

226

влияние Земли, влияние тропосферы и влияние ионосферы.

1. Влияние Земли, в основном, сводится к следующему. При распро-

странении возможно отражение волн от земной поверхности. В случае высо-

ко расположенных антенн поле в точке приема В над поверхностью Земли будет представлять собой сумму полей двух волн – прямой и отраженной.

Влияние Земли приводит к тому, что поле в точке приёма представляет со-

бой интерференционную картину двух волн (рис. 7.7). При низко располо-

женных антеннах выделить по отдельности прямую и отраженную волны не-

возможно и волна распространяется вдоль поверхности Земли, испытывая при этом поглощение и некоторое изменение фазовой скорости.

Рис. 7.7. Интерференция двух радиоволн.

На характер распространения радиоволн над поверхностью Земли вли-

яет её сферичность (рис. 7.8). Вопрос о том, как велико поле в области тени,

создаваемой сферичностью Земли, и в какой степени радиоволны способны за счёт дифракции преодолеть эту сферичность, зависит от длины волны.

Как известно, явление дифракции заметно проявляется, когда размер препят-

ствия сравним с длиной волны, поэтому наиболее ярко дифракция проявля-

ется на длинных волнах. На распространение радиоволн значительное влия-

ние оказывает и рельеф земной поверхности. Причём, чем короче длина вол-

ны, тем это влияние сильнее.

Область прямой видимости

Область

тени

Рис. 7.8. Влияние сферичности Земли на распространение радиоволн.

227

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от по-

верхности Земли и частично огибающие её вследствие явления дифракции,

получили название земных или поверхностных волн (Рис. 7.9).

Рис. 7.9. Поверхностная и пространственная волны.

2. Тропосфера представляет собой неоднородную среду. Свойства её под действием метеоусловий меняются во времени. Тропосфера характеризу-

ется постепенным уменьшением показателя преломления воздуха с высотой

и обладает локальными неоднородностями показателя преломления. Плав-

ное изменение показателя преломления с высотой приводит к искривлению траектории радиоволн (рефракции), а при образовании тропосферного вол-

новода может способствовать повышению дальности радиосвязи.

Локальные неоднородности тропосферы вызывают рассеяние радио-

волн (рис. 7.10). Влияние рассеяния проявляется только в диапазоне УКВ.

Рассеянные радиоволны могут достигать

3. Ионизированная часть атмосферы – ионосфера, содержит значитель-

ное количество ионов газов и свободных электронов. Радиоволны с длиной волны более 10 метров отражаются от ионосферы и не могут покинуть пре-

делы земной атмосферы. Для более коротких волн ионосфера является про-

зрачной. Отраженные от ионосферы радиоволны, падая на полупроводящую поверхность Земли и также отражаясь от неё, могут вновь отразиться от ионосферы. В результате подобного многократного отражения, радиоволны могут попасть в сколь угодно удаленные точки земной поверхности, и даже обогнуть земной шар (Рис. 7.11).

Рис. 7.11. Распространение радиоволн за счёт отражения от ионосферы.

Радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния в результате однократного или многократного отражения от ионосферы, а также рассеян-

ные на неоднородностях ионосферы, называют ионосферными радиоволна-

ми.

За счёт влияния земных условий поле на реальных трассах отлично от поля в радиолинии, находящейся в свободном пространстве. Для учёта этого влияния вводится функция ослабления. Тогда напряжённость поля на реаль-

ных трассах Е определяется как произведение напряжённости поля в случае распространения волны в свободном пространстве Е0 на функцию ослабле-

ния V(r):

Поэтому основной задачей расчёта радиолинии является определение функции ослабления V(r) в различных условиях распространения земных,

тропосферных и ионосферных волн.

7.5. Электрические параметры земной поверхности

Свойства земной поверхности описываются двумя электрическими па-

раметрами: относительная диэлектрическая проницаемость εr и удельная проводимость σ. Магнитную проницаемость для всех типов земной поверх-

ности считают равной единице.

Параметры реальной поверхности Земли отличаются большим разно-

образием даже в пределах одной местности. Поэтому в таблице 7.2 приведе-

ны некоторые усредненные значения электрических параметров реальных почв или диапазон изменения этих значений [13]. Кроме того, эти параметры зависят от частоты (или длины волны) на которой они определяются.

Таблица 7.2

230