3.7 Элементы теории распространения радиоволн

На распространение радиоволн существенное влияние оказывает земная поверхность и атмосфера.

Земная поверхность представляет собой среду с различными электрическими параметрами (электропроводностью, диэлектрической и магнитной проницаемостью). Вследствие этого при распространении радиоволны поглощаются земной поверхностью и отражаются от неё.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от земли, называются земными, или поверхностными волнами.

Атмосферу схематично делят на три слоя: тропосферу, стратосферу, ионосферу.

Тропосфера − нижний слой атмосферы. Простирается до высот 10 − 20 км. Тропосфера неоднородна по своим электрическим свойствам, которые определяются температурой, давлением и влажностью. Эти параметры среды меняются вследствие движения воздушных масс, образуя подвижные сферические неоднородности, которые существенно влияют на распространение радиоволн.

Стратосфера − слой на высоте 20 − 50 км. Плотность газов значительно меньше, чем в тропосфере. Электрические свойства стратосферы однородны, и радиоволны распространяются в ней прямолинейно без существенных потерь.

Ионосфера − слой на высоте 50 − 20000 км. Под воздействием космического излучения и ультрафиолетовых лучей Солнца в ионосфере молекулы воздуха ионизируются, образуя свободные электроны. Чем больше концентрация свободных электронов Nэ, тем сильнее они влияют на распространение радиоволн. Nэ меняется по высоте. На нижних слоях она мала, т. к. недостаточно энергии ионизации. На больших высотах также мала вследствие малой плотности газа в атмосфере. Nэ максимальна на высотах 300 − 400 км. По своим свойствам выделяют четыре слоя: Д, Е, F1, F2.

Слой Д (высота 60 − 90 км). Существует только в дневные часы, когда активность Солнца велика.

Слой Е (высота 100 − 120 км). Концентрация Nэ изменяется со временем года и суток. Днём опускается, ночью поднимается.

Слои F1 F2 (высота 120 − 450 км) Они имеют наибольшую концентрацию Nэ.

Таким образом, указанные слои имеют различную концентрацию Nэ, и радиоволны, переходя из среды с одной концентрацией в среду с другой концентрацией, преломляются и при определённых условиях могут отразиться от ионосферы и вернуться на Землю.

Степень преломления лучей ЭМВ в слоях ионосферы зависит от угла падения ЭМВ γ на слои ионосферы и от частоты излучения.

Угол падения, при котором ЭМВ не проходит через ионосферу и распространяется вдоль неё, называется критическим (рис.1.11).

Если γ<γкр, ЭМВ проникает через ионосферу в космос.

Если γ>γкр, ЭМВ отражается от ионосферы и возвращается на Землю.

Рис.3.11 Преломление электромагнитных волн в ионосфере

Чем выше частота ЭМВ, тем меньше степень преломления. УКВ волны вообще не преломляются в ионосфере и уходят в космос.

При наклонном падении отражающие свойства ионосферы более существенны.

Частота ЭМВ, излучённой по касательной к горизонту, в 3 − 5 раз выше критической частоты, при которой преломленный луч отражается. Такая частота называется максимально применимой частотой МПЧ. ЭМВ с частотами выше МПЧ от ионосферы не отражаются. ЭМВ, распространяющиеся путём отражения от ионосферы, называются пространственными волнами.