- •Часть V. Распространение радиоволн в природных условиях.
- •§5.1. Влияние “плоской” земли на распространение радиоволн.
- •§5.2. Распространении радиоволн над сферической землей.
- •§5.3. Распространение радиоволн в тропосфере.
- •§5.4.Рассеяние радиоволн неоднородностями турбулентной тропосферы.
- •§5.5. Ослабление радиоволн в тропосфере.
- •§5.6. Распространение радиоволн в ионосфере.
- •§5.7. Влияние магнитного поля Земли на распространение радиоволн в ионосфере.
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 (тропосферное рассеяние);
- отражение радиоволн определенного диапазона () от ионосферы.
§5.1. Влияние “плоской” земли на распространение радиоволн.
Влияние земли на распространение радиоволн, излучаемых каким-либо источником электромагнитной энергии (например, антенной), можно проиллюстрировать на идеализированном примере - “плоской” земле (рис. 5.1), где , - 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:
-
разностью хода лучей АВ и АОВ, которая обуславливает при фиксированной λ разность фаз сигналов, пришедшим по путям 1 и 2;
-
фазой коэффициента отражения от поверхности земли;
-
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:
при (5.1)
при ; (5.2)
при , (5.3)
для вертикальной поляризации
; (5.4)
при ; (5.5)
при . (5.7)
при (угол Брюстера)
, , (5.8)
где – относительная комплексная диэлектрическая проницаемость среды, λ измеряется в метрах.
Значения ε и σ для различных сред приведены в таблице 5.1.
Таблица 5.1. Значения ε и σ для различных сред.
Среда |
ε |
σ См/м |
Вода морская Вода пресная Земля влажная Земля сухая |
80 80 5 – 20 2 – 6 |
0,66 – 6,6 – – – |
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 . Вид диаграммы отражения не зависит от угла падения (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 соотношения между λ и высотой шероховатости , но и от . В соответствии с критерием шероховатости Релея поверхность дает зеркальное отражение, если высота шероховатостей отвечает соотношению .
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 . Для них в дальней зоне разность фаз определяется выражением:
, (5.9)
при имеем
, (5.10)
где – изменение фазы сигнала при отражении от земли.
Результирующая амплитуда двух сигналов единичной амплитуды с разностью фаз равна
. (5.11)
Отношение мощности в точке В при наличии земли и мощности в случае свободного распространения будет , причем .
Если , то диаграмма направленности слабо направленной антенны с учетом земли приобретает многолепестковый характер. Напряженность поля для горизонтальной поляризации максимальна при и минимальна при , Число полных лепестков в диаграмме направленности такой антенны будет определяться выражением .
Таким образом, диаграмма направленности антенны, частично 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).