Радиоэлектронные системы Основы построения и теория. Справочник . Под ред. Я.Д. Ширмана (2007) (1151789), страница 79
Текст из файла (страница 79)
2- Кааиазсюла горы. 3 - Побережье Турции. Рис. 11.23 280 0 !00 200 300 400 500 Расстояние, км 11.3.9. Общие сведения об ионосфере Ионосфера — это часть атмосферы Земли, расположенная выше 50 км, ионизированная излучениями Солнца и дальнего космоса. Электроны и положительные ионы ионосферы могут оказывать влияние на распространение электромагнитных волн. Электроны менее инерционны, чем ионы.
Взаимодействуя с волной, 11.3.8. Дальнее тропосферное распространение радиоволн Дальнее тропосферное распространение (ДТР) наблюдается в сантиметровом, дециметровом и короткой части метрового диапазона волн. Обусловлено в основном рассеянием радио- «г волн на неоднородностях о я» ео тропосферы слоистого и турбулентного характера в (рис. 11.24). Обеспечивает г более высокий уровень принимаемого сигнала вне зоны прямой видимости. Рис. 11.24 На рис. 11.25 показаны зависимости ослабления радИОВОЛН раЗЛИЧНЫХ ЧаС- У 01! "о тот от расстояния, полу-,.40 04!"" пто ченные экспериментально Й (сплошные линии) и пред- ',' ', 41 „ сказанные дифракционной -120 теорией (пунктирные ли- -160 нии) [7.4].
ДТР повышает дальность связи. Рассея- -20о ние прямой и отраженной ,,згго -240 от земли волны может вы- 1 ЗГГ0 Ч зогг 0 зывать появление дискретных целеподобных отметок в РЛС (так назы- Рнс. 11.25 ваемых «ангел-эхо»). При ДТР наблюдаются замирания сигнала глубиной до 40 дБ от максимального его уровня. Быстрые замирания сигнала (секунды — минуты) связаны с интерференцией волн отдельных рассеивателей. Для борьбы с быстрыми замираниями используют пространственный, частотный разнос приема, повышение направленности антенн. Экспериментально показано, что для статистической независимости замираний достаточно разнести приемные антенны на расстояние Б = 100). в направлении, перпендикулярном трассе ДТР [7.43].
Медленные замирания сигнала (минуты-часы) вызываются изменениями метеоусловий (количество, характер неоднородностей) и условий рефракции на трассе ДТР. Оказывают влияние на средний уровень сигнала. Наблюдаются также регулярные суточные, сезонные изменения, мало зависящие от длины волны. Метеорные каналы распространения волн. Обусловлены возникновением ионизированного следа при сгорании метеорных частиц в атмосфере. Используются в системах метеорной связи с дальностью до 2200 км. Интервал возникновения канала связи десятки секунд— минуты, время существования десятки миллисекунд— секунды. Предпочтительным является использование частот 40...45 МГц [7.59].
О пространственных каналах распространения радиоволн см. также разд. 11.4. 0 юз !оз !о!" !о!1 !о!2 -3 Гг,, Я' Рис. 1!.26 о Донь 11очг Таблица 11.2. Характеристики слоев ионосферы для средних гиирот Взаимодействие электронов с электромагнитной волной без учета соударений. В высокочастотном гармоническом электрическом поле волны с напряженностью Еехр(! 2п 1'!) на электрон воздействует сила еЕ ехр(/ 2п)"!), вызывающая его колебательное движение со скоростью ч ехр(/ 2п 1'!). Соударения электрона с тяжелыми частицами, ведущие к существенным потерям энергии ва сравнительно низких частотах, пока не учи- они испытывают большие механические смещения и оказывают поэтому значительно большее обратное воздействие на электромагнитные волны.
Взаимодействие радиоволн с ионосферой определяется в первую очередь распределениями концентрации электронов и, (м или см ) и числа их соударений тяжелыми частицами по высоте, а также влиянием на их движение магнитного поля Земли. Не только поглощение и рассеяние волн, как в тропосфере, а и все остальные эффекты взаимодействия в ионосфере существенно зависят от частоты. Распределение концен- 1ооо трацин электронов по высоте. Данные об электронной концентрации в ионосфере получиот путем зондировипи ее с поверхности ночь Земли, а также с помощью Р2 ракет н спутников. Типич- на Р! ные распределения для дня и Е ночи показано на рис.
11.26. Буквами с индексами отмечено положение типичных областей ионосферы. Схематическое изобра- жение этих областей для дня и ночи представлено на 400 рис. 11.27. Наблюдаются спокойные и возмущенные состоя- о ния ионосферы. Характери-,з 201 3 200 стики ионосферь! изменя- ! оо Б й 1)' ются с широтой, в течение суток, времен года и 11- летнего солнечного цикла.
Наиболее регулярна сред- Рвс. 1!.27 неширотная ионосфера Характеристики основных слоев ионосферы для средних широт, пересчитанные из [0.32], представлены в табл. 11.2. 169 тываются. Величина скорости ч ехр(1 2к 1'г) определяется из уравнения движения электрона д т — 1ч ехр() 2~ф)] = еЕ скрал'2пЯ+ й (11.76) + ей о '1ч ехр(у2к))), Но ) Последнее слагаемое правой части (11.76) — это сила Лоренца, воздействующая на движущийся электрон в магнитном поле (аналог силы Ампера, воздействующей на проводник с током). В (11.76) учитывается постоянное магнитное поле Земли Н, ы 40 Аl.м, намного большее переменного магнитного поля волньь Колебательное движение электронов со скоростью ч ехр(/ 2п7'г) означает появление токов проводимости, реактивньж в данном случае, т.е.
не приводящих к потерям энергии. Токи проводимости накладываются на токи смещения, изменяя свойства среды. Объемная плотность суммарного тока смещения н реактивной проводимости определяется выражением Ы 3 ехр(12л71) = ее — (Е ехр(12~ф)) + певч ехр02к7)), ау (11.77) В (11.76), (11.77) вошли масса т н заряд е электрона т = 9,109 1О кг, е = -1,602 10 Кл, электрическая и магнитная постоянные еь = 8,854210" Фlм, рь = = 1,2566 1О Гн!м. Относительная диэлектрическая проницаемость ионосферы без учета соударений и магнитного поля Земли. Пренебрегая соударениями (см. ниже) и магнитным полем Земли (разд.
11.3.12) из (11.76) находят 12к7'т ч = еЕ. (11.78) Определяя отсюда скорость колебательного движения электрона ч и подставляя ее в (11.29), находят 3 =72к7'сьЕ+(п„е 112л7 т) Е. (11.79) Выражение (11,79) можно представить в виде 3 = у2я)ео (! — и,. е~ /4к~ 1~ т еь) Е =)2к7ею еь Е где величину е„называот относитезьной диэлектрической проницаачостью ионосферы без учета потерь.
Выражение для е„можно привести к виду е, = 1 — 7'ч'11'. (11.80) Здесьрч — плазченная частота ионосферы, без учета соударений электронов с тяжелыми частицами 7ь~=(е 24я тее) п„=80,6 пь (11.81) Вычисления в (11.81) проведены в системе единиц СИ при размерностях электронной концентрации и, (м ) и частоты Гч (Гц). Для электронных концентраций 10 ...!О см (10~...10~ м ) плазменнаячастота ,Гч и 9з~п„ (11.82) изменяется в пределах 0,3...9 МГц. Выражения (11.79), (! 1.80) подставляются в уравнения Максвелла и определяют ионосферные эффекты среды для принятых предположений. Соударения электронов ионосферы с тяжелыми частицами.
Описываются высотным профилем эффективного числа ч,ь соударений!с (рис. ! 1.28). Приводят к потерям энергии и количества движения электронов, сказывающимся при понижении рабочей частоты 7: Со- ь км Рне. 11.28 12я7 7н (!+~чэг! 2я7) и 2 — 1 7~ .12к7 ьчэг 7 +ч !4я (11.84) Комплексный характер диэлектрической проницаемости связан с потерями энергии в среде. 11.3.10. Фазоеая и групповая скорости, поглощение и дисперсия волн е ионосфере без учета влияния магнитного поля Земли Описание плоской гармонической волны в однородной среде. Имеет вид (11.85) где г — координата, отсчитываемая в направлении движения волны; р„ — относительная магнитная проницаемость среды, здесь рь = 1; чь — фазовая скорость волны, Р— ее коэффициент затухания (неперы на единицу длины).
В силу (11.85) значения че и 1) можно находить, сопоставляя левую и правую части равенства Ггв] ударения каждого электрона представляют собой не- 3 !о стационарный слу- чайный процесс. Ночь:.' Лдпь Для коллектива же Ьп, Ьу' » 1 элек!с тронов объема ЬУ' колеблющихся в одинаковой фазе, и о !о з з " ~ ь он аппроксимнру- "')Ь' ' ' ется стационарным процессом, определяемым из усредненного уравнения количества движения. Суммарное воздействие поля волны Ьп„е Е на коллектив электронов затрачивается на создание количеств движения: ° основного (Ап, т ч), быстро изменяющегося с частотой 11 ° дополнительного (чы Ьп„т ч), передаваемого тяжелым частицам прн соударениях.
В расчете, что количество движения т ч передается ч,ь соударений/с каждым нз Ьп, электронов, уравнение (! 1.78) можно заменить на 12к7'(Ап„т ч) + (ч,ь Ап„т ч) = Ьп, е Е, (1!.83) или после преобразований (12Я~+ч,е) т ч еЕ, что определяет скорость колебаний электрона ч. Подставляя значение ч в (11.77), отсюда вводят, как и выше, относительную диэлектрическую проницаемость ионосферы е„, в данном случае кояпмексную 170 Фазовая скорость волны в однородной ионосфере.
Это скорость распространения фазы гармонической волны, не связанная непосредственно с передачей энергии. При малых, но заметных потерях за счет соударений из (11.84),(11.85) следует Ке /е»- 1 — " —, (11,86) э/н .~ г г, г' оф с с ~ /' +0,4/4я анри 2я /'»ч (11.80) 04»» С (1+403 Ил//' ). (11.88) ! — 40,3и, // Фазовая скорость 00 волны в ионосфере, непосредственно не связанная с передачей энергии, больше скорости света с в свободном пространстве. Поглощение энергии в ионосфере. При эффективном числе соУдаРений в секУндУ о,о « / коэффициент односпгараннего затухания в однородной ионосфере составляет 9- — — 8 1, — ' -, .
01.891 г.' »г.* "г' — г/г' Затухание убывает обратно пропорционально второй степени частоты и крайне мало для оптических колебаний. При н,о «/'и/»/'„ значение и 1. Одностороннее затухание в дБ/км в системе единиц СИ составляет Во! =117!0' и, ч ф/п~г В неоднородной ионосфере интегральное поглощение В,в»1,!7(плн,ф)нт/п/' (11.90) находят через число соударений электронов на пути распространения в изогнутом столбе площадью 1 м': (плтаф)мгг = 8~,(панаф)18281 2 1 ! 0,5 Число это может рассчитываться в условиях как одностороннего, так и двустороннего распрастране- = 0 05 ння волн. Примеры расчета поглощения при н,о «/' и / »/» п = 1 показаны на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
