Электродинамика_Коллоквиум_23

Часть V. Распространение радиоволн в природных условиях.

Условия распространения радиоволн от передатчика к приемнику в линии связи или от радиолокатора к обнаруживаемому объекту и обратно в радиолокационной линии существенно влияют на работу РТС в целом. Это сказывается на таких важных характеристиках РТС, как дальность действия и точность определения координат цели.

При работе РТС в реальных условиях необходимо учитывать конкретные природные явления, влияющие на распространение радиоволн вблизи земли:

-отражение радиоволн от земной поверхности;

-дифракция радиоволн вокруг земли;

-рефракция, обусловленная неоднородностью атмосферы по высоте;

-поглощение радиоволн газами, образующими атмосферу, и

метеоосадками;

-рассеяние радиоволн неоднородностями тропосферы

§5.1. Влияние “плоской” земли на распространение радиоволн.

Влияние земли на распространение радиоволн, излучаемых каким-

либо источником электромагнитной энергии (например, антенной),

81

можно проиллюстрировать на идеализированном примере - “плоской” земле (рис. 5.1), где ha , hb - высота расположения передатчика и приемника радиоволн; 1, 2, 3 – прямой, отраженный и преломленный лучи, соответственно; – угол скольжения луча.

Величина амплитуды поля в точке B определяется:

1)разностью хода лучей АВ и АОВ, которая обуславливает при фиксированной λ разность фаз сигналов, пришедшим по путям 1 и 2;

2)фазой коэффициента отражения от поверхности земли;

3)амплитудой волны, пришедшей в точку В по пути 2.

Амплитуда отраженной волны определяется значением диэлектрической постоянной почвы, углом падения и зависит от плоскости поляризации падающей волны.

Рис. 5.1. Отражение волн от плоской Земли.

Коэффициенты отражения находятся по известным формулам Френеля: для горизонтальной поляризации:

82

для вертикальной поляризации

Формулы Френеля выведены в предположении гладкости земли, по крайней мере, в пределах так называемого “существенного” для отражений участка (см.Ф.Б. Черный “Распространение радиоволн”).

Такая идеализация справедлива не всегда. Участки земли, имеющие шероховатости, сравнимые с λ, дают диффузное отражение.

При диффузном отражении поток отраженной энергии I зависит от угла θ и в соответствии с законом Ламберта определяется соотношением

I I0 cos . Вид диаграммы отражения не зависит от угла падения

83

(рис. 5.2,а). Однако, строго говоря, отражение от земли в большей или меньшей степени является полудиффузным (рис. 5.2,б) и чем меньше длина волны, тем вероятнее выполнение условий, при которых отражение близко к диффузному.

Характер отражения от поверхности земли зависит не только от

Рис. 5.2. Типы диаграмм отражения.

Диаграмму направленности антенны с учетом отражений от земли можно приближенно найти как результирующую диаграмму от двух излучателей, разнесенных на расстояние 2ha . Для них в дальней зоне разность фаз определяется выражением:

84

Результирующая амплитуда двух сигналов единичной амплитуды с

антенны с учетом земли приобретает многолепестковый характер.

Напряженность поля для горизонтальной поляризации максимальна при

облучающей землю, может существенно искажаться за счет интерференции прямого и отраженного от земли лучей. Искажения диаграммы направленности могут приводить к существенной ошибке в определении угловых координат целей, к образованию мертвых зон и т.д.

В ряде случаев отражения от земли играют положительную роль,

увеличивая напряженность поля в некоторых направлениях (это используется, например, при проектировании РЛС дальнего обнаружения).

§5.2. Распространении радиоволн над сферической землей.

При изучении распространения радиоволн над поверхностью земли,

идеализированно принимаемой за сферическую, пространство над

85

землей разделяют на область интерференции I и область дифракции II

(рис. 5.3). В области интерференции поле представляется в виде суммы двух волн – прямой и отраженной. В области дифракции существует только одна волна. Предельная дальность прямой видимости при условии малости геоцентрического угла ( 1 ) определяется из рис. 5.4,

где a – радиус земли; ОА - линия горизонта.

Рис. 5.3. Распространение радиоволн над сферической Землей.

Рис. 5.4. Определение предельной дальности прямой видимости.

86

Задача определения поля в области дифракции весьма сложна. Для ее решения вводится сферическая система координат r, θ, φ с началом в центре Земли. В точке с координатами r b a , 0 помещается вертикальная диполь. При этом отличными от нуля будут составляющие

вектора Герца Z и условия на границе воздух-земля. При строгом подходе решение получается в виде весьма медленно сходящегося ряда,

что затрудняет практические расчеты (так при λ = 10 м нужно учитывать несколько миллионов членов ряда!).

Впервые общий случай дифракции радиоволн вокруг сферической поверхности земли исследовал академик Б.А.Введенский в 1936 –

1937 г.г. Путем упрощения он получил для поля в области тени быстросходящийся ряд. Так называемая “одночленная дифракционная формула” Введенского позволяет установить зависимость поля дифракции в области тени от высоты поднятия антенн и реальных

параметров почв:

P – мощность передающей антенны, кВт;

G – коэффициент усиления антенны по отношению к диполю;

a - радиус Земли;

R – расстояние вдоль поверхности земли ;

87

изменяется в пределах 46,5 – 54,5. H h и H z – высотные функции

(высотные множители). Для оценки значений, входящих в дифракционную формулу величин, целесообразно использовать номограммы и графики (см. Черный Ф.Б. “Распространение радиоволн”).

Сформулируем важнейшие закономерности, характеризующие поле дифракции:

1.напряженность поля весьма быстро (экспоненциально) убывает с увеличением R;

2.чем короче волна, тем быстрее убывает напряженность

дифракционного поля. В области тени оно меняется по закону:

почвы и λ;

3.напряженность дифракционного поля для вертикальной поляризации больше, чем для горизонтальной при прочих равных условиях;

4.чем больше проводимость и диэлектрическая проницаемость почвы, тем больше напряженность дифракционного поля.

§5.3. Распространение радиоволн в тропосфере.

Характер распространения волн в тропосфере в основном определяется такими ее физическими характеристиками, как температура, влажность и давление. Совокупное влияние на распространение радиоволн условий погоды весьма сложно.

88

Одновременно может проявляться действие ряда факторов, каждый из которых в свою очередь является функцией частоты электромагнитного процесса. К наиболее важным явлениям, учитываемым при распространении радиоволн, относятся следующие: искривление луча

(рефракция), рассеяние неоднородностями, поглощение и рассеяние радиоволн молекулами газов и гидрометеорами.

Явления рефракции.

Тропосфера состоит из смеси газов. Каждый отдельный газ обладает

исключением коротковолновой части УКВ диапазона). На сантиметровых и более коротких волнах сказывается дисперсия, при

этом 0 . При прохождении электромагнитных волн через газ

последний под воздействием электрического поля поляризуется. Вектор поляризации P определяется как дипольный момент единицы объема:

P 0 E , где 1 – электрическая восприимчивость вещества.

Согласно молекулярной теории вещества, восприимчивость газа

Восприимчивость смеси газов подчиняется закону аддитивности.

Молекулы всех газов тропосферы, за исключением молекул водяного пара, не имеют постоянного дипольного момента. Молекула пара воды наряду с переменной составляющей дипольного момента обладает и

89

постоянной составляющей, существующей при отсутствии поля.

Поэтому полная восприимчивость тропосферы выражается формулой:

пространственных координат, то очевидно тропосфера представляет собой неоднородную среду с индексом преломления

Рис. 5.5. Искривление луча в зависимости от высоты.

Изменение n с высотой в соответствии с законами преломления Снеллиуса приводит к искривлению луча, как показано на рис.5.5.

Полагая, что тропосфера имеет слоистую структуру со слоями конечной толщины и постоянными значениями n в каждом слое, можно

90