Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

рис. 11.3). При дальнейшем увеличении частоты волна проходит слой без

отражения (частота f4 на рис. 11.3).

Рис. 11.3. Траектории волн в простом слое на разных частотах при постоянном угле падения θ0.

Рассмотрим второй случай. В частотных диапазонах, использующих отражение от ионосферы, применяются, как правило, антенны с широкой диаграммой направленности в вертикальной плоскости. В зависимости от соотношения между частотами волны и ионосферного слоя (fкр, fmax)

возможны следующие ситуации:

а) Радиоволны отражаются при всех углах падения, в том числе отражается и вертикально вверх направленная волна (рис. 11.4а). По мере увеличения угла падения высота точки отражения уменьшается, а радиус кривизны увеличивается. В реальных условиях такие траектории имеют длинные, средние волны и длинноволновая часть КВ.

б) В этом случае существует угол падения θкр, при котором волна еще отражается от максимума ионизации (рис. 11.4б). Дальнейшее уменьшение угла падения приводит к тому, что радиоволна проходит через простой слой без отражения. Эту частоту выше мы определили как максимальную для угла

θкр., поскольку радиус кривизны в точке отражения стремится к бесконечности. В этом случае волна распространяется по траектории,

параллельной поверхности Земли, и дальность связи может достигать 7000

291

км. Таким образом, в этом случае вокруг антенны существует область, в

которую ионосферная волна не попадает, называемой зоной молчания.

Очевидно, что с увеличением частоты радиус зоны молчания (Rзм)

увеличивается, а с увеличением электронной концентрации − уменьшается.

Для каждой длины радиолинии существует своя МПЧ. Подобная ситуация характерна для коротких волн, отражающихся от слоёв F1 и F2.

в) Если частота больше МПЧ, то условия отражения не выполняется для всех реальных углов падения (θ < θm) и волна проходит через ионосферный слой, испытывая в нём преломление (рис. 11.4в). Наибольшее преломление испытывают пологие лучи, а вертикально направленный луч,

как следует из формулы (5.8), не преломляется. Такие траектории характерны для диапазона УКВ. С увеличением частоты искривление траектории волны уменьшается.

Рис. 11.4. Траектории волн в ионосфере для разных частот

взависимости от угла падения.

11.3.Поглощение радиоволн в ионосфере

Поглощение радиоволн в ионосфере происходит из-за столкновения электронов с нейтральными молекулами. Электроны разгоняются под дей-

ствия электрического поля волны и приобретают некоторую энергию, кото-

рую передают молекулам при соударениях. За счёт этого увеличивается хао-

тическое тепловое движение молекул и повышается температура ионосферы.

На низких частотах поглощения растёт с ростом частоты как f , а на

высоких падает как 1 f 2 . Очевидно, на промежуточных частотах существует частота с максимумом поглощения. Более строгий анализ показывает, что

292

максимальное поглощение будет на частоте, близкой к числу соударений,

т.е. при f ≈ ν .

Этому факту можно дать физическое объяснение. На низких частотах период колебаний много больше времени свободного пробега электрона между соударениями, равного 1/ν, и электрон теряет значительное количе-

ство энергии за счёт соударений. На высоких частотах, когда период колеба-

ний много меньше времени свободного пробега, электрон успевает несколь-

ко раз обменяться энергией с волной, прежде чем потеряет энергию при со-

ударении. Зависимость поглощения от частоты в ионосфере играет важную роль в объяснении особенностей распространения волн различных диапазо-

нов.

11.4. Влияние постоянного магнитного поля Земли на распространение радиоволн в ионосфере

Постоянное магнитное поле Земли, напряжённость которого составляет

Н0 ≈ 40А/м, качественно и количественно меняет свойства ионосферы. При-

чина этого состоит в наличии в ионосфере свободных зарядов − электронов и ионов. В присутствии постоянного магнитного поля на них действует ещё сила Лоренца

где q − заряд частицы, V− её скорость, В0 =μ0Н0 − магнитная индукция поля Земли.

Рассмотрим физическую картину явлений, возникающих при действии постоянного магнитного поля на движущиеся заряды. Пусть вначале элек-

тромагнитная волна отсутствует. Электроны и ионы находятся в хаотическом движении. При этом на них действует сила Лоренца, изменяющая только направление скорости движущихся зарядов, но не её величину. В результате частицы будут двигаться по окружностям вокруг вектора H0 , радиусы кото-

рых определяются из равенства силы Лоренца и центробежной силы.

293

В случае параллельных векторов V и H0 сила Лоренца равна нулю и частица движется по прямой параллельно вектору H0 . Частота вращения ча-

стицы вокруг магнитного поля fм называется гиромагнитной частотой.

При этом если смотреть по направлению вектора H0 , то электроны враща-

ются против часовой стрелки, а положительные ионы − по часовой стрелке.

Для электронов fм ≈ 1,4 МГц, для ионов fм ≈ 760 Гц. Поскольку гиромагнит-

ная частота ионов лежит за пределами используемых для радиосвязи частот,

где

ного поля Земли на распространение радиоволн особенно заметно на часто-

тах, близких к гиромагнитной частоте электронов, равной 1,4 МГц, хотя проявляется и на других частотах. Среды, у которых один из параметров ε, µ

или σ выражаются тензором, являются анизотропными. Это означает, что их свойства зависят от направления распространения волны. Для ионосферы анизотропия выражается также в том, что вектора E и D не параллельны.

Аналогичными свойствами обладают намагниченные ферриты и некоторые кристаллы.

Остановимся на особенностях распространения радиоволн в ионосфе-

ре, связанных с присутствием магнитного поля Земли.

294

Эффект Фарадея При распространении радиоволн вдоль магнитных силовых линий

Земли наблюдается вращение её плоскости поляризации. Рассмотрим этот эффект подробнее. Вектор напряжённости электрического поля волны мож-

но представить в виде сумму двух волн круговой поляризации, левого и пра-

вого направлений вращения. Если для каждой из этих волн определить век-

тор электрической индукции как

Это означает, что фазовые скорости этих волн также будут различными:

Vф,пр = (ε Т + β )ε 0 μ0 , Vф, лев = (ε Т − β )ε 0 μ0 .

Разница скоростей приводит к тому, что на некотором расстоянии l от исход-

ной точки вектор E повернется на угол γ:

учесть, что электроны под действием магнитного поля Земли вращаются все-

гда в одном направлении и для волн с разным направлением вращения векто-

R

ра E ионосфера имеет различные свойства. Способность некоторых сред вращать плоскость поляризации называется гиротропным эффектом, а сами среды − гиротропными.

Обыкновенная и необыкновенная волны Рассмотрим случай поперечного распространения волны по отноше-

нию к магнитному полю H0 . При этом возможны два случая: вектор E па-

раллелен вектору H0 и вектор E перпендикулярен H0 .

295

метры ионосферы непрерывно изменяются, то будут меняться фазы интер-

ферирующих волн и величина результирующего поля в точке приёма.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое ионосфера и что является причиной ее образования?

2.Определите собственную частоту ионизированного газа, если электронная концентрация в нем составляет 104 эл/см3.

3.Объясните, почему ионосфера является диспергирующей средой. Как это качество ионосферы сказывается на распространении радиоволн?

4.Что такое критическая и максимально применимая частота и соотношение между ними?

5.Какие изменения в ионосферных слоях происходят в течение времени су-

ток, времени года?

6.Какие частоты радиоволн наиболее сильно поглощаются в ионосфере?

Каков механизм этого поглощения?

7.Как и почему постоянное магнитное поле Земли влияет на распростране-

ние радиоволн в ионосфере? Почему такого влияния нет в тропосфере?

8.В чем состоит эффект Фарадея, при каких условиях он проявляется?

9.Какие волны называются обыкновенной и необыкновенной? Поясните фи-

зически причину их различного распространения в ионосфере.

297

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Марков Г. Т., Петров Б. М., Грудинская Г. П. Электродинамика и распро-

странение радиоволн. – М.: Сов. радио, 1979. – 376 с.

2.Нефёдов Е. И. Техническая электродинамика: учебное пособие для вузов.

– М.: Академия, 2008. – 416 с.

3.Бова Н.Т., Резников Г.Б. Антенны и устройства СВЧ. – Киев: Вища школа, 1982. – 278 с.

4.Марков Г. Т., Сазонов Д. М. Антенны.– М.: Энергия, 1975.– 528 с.

5.Нефёдов Е. И. Устройства СВЧ и антенны: Учебное пособие для вузов.–

М.: Академия, 2009. – 384 с.

6. Устройства СВЧ и антенны / Под ред. Д.И. Воскресенского. – М.: Радио-

техника, 2006. – 376 с.

9.Антенны УКВ/ под ред. Г.З. Айзенберга. Ч.2. – М.: Связь, 1977. – 288 с.

10.Антенны, СВЧ-устройства и их технологии: учеб. пособие / Ю.Б. Нечаев,

В.И. Николаев, Р.Н. Андреев, Н.Н. Винокурова; под общ. ред. Ю.Б.Нечаева,

В.И.Николаева. – Воронеж: ОАО Концерн «Созвездие», 2008. – 629 с.

11. Драбкин А.Л., Зузенко И.Л. Антенно-фидерные устройства.– М.: Сов. ра-

дио, 1961.– 816 с.

12.Долуханов М.П. Распространение радиоволн. – М.: Связь, 1972.− 336 с.

13.Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. – М.: Высш. шк., 1975.−

280 с.

14.Черный Ф. Б. Распространение радиоволн. – М.: Сов. радио, 1972.− 458 с.

15.Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн.− М.: Горя-

чая линия – Телеком, 2003.− 358 с.

16. Мандель А.Е., Замотринский В.А. Распространение радиоволн: учеб. по-

собие. − Томск: ТУСУР, 2006.− 164 с.

298

17. Боков Л.А., Замотринский В.А., Мандель А.Е. Электродинамика и рас-

пространение радиоволн: учеб. пособие. − Томск: ТУСУР, 2013.− 410 с.

18.Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. −М.: Наука, 1989.− 544 с.

19.Долуханов М.П. Дальнее распространение ультракоротких волн. – М.:

Связьиздат, 1962.− 172 с.

20.Пономарев Г.А., Куликов А.Н., Тельпуховский Е.Д. Распространение УКВ в городе.− Томск: МП РАСКО, 1991. – 223 с.

21.ЕфановВ.И.,Тихомиров А.А. Электромагнитная совместимость радио-

электронных средств и систем: учеб. пособие. −Томск: ТУСУР, 2004.−298 с.

299

Учебное издание

Буянов Юрий Иннокентьевич

Гошин Геннадий Георгиевич

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН И АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Учебное пособие

Рекомендовано Сибирским региональным отделением учебно-методического объединения высших учебных заведений РФ по образованию в области ра-

диотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов,

обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 210400.62 «Радиотех-

ника» и 210700.62 « Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л.-----.

Тираж 30 экз. Заказ-------.

Отпечатано в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники.

634050, Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 533018.

300