Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн (3-е изд., 1989) (1152088), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Это обстоятельство также играет положительную роль, поскольку именно облагодаря отмеченной «прозрачности» ионосферы оказывается возможной радиосвязь с космическими объектами, а также радиоастрономия. Нижние слои атыосферы, в свою очередь, оказывают некоторое влияние на распространение радиоволн. В так называемой тропосфере, верхняя граница которой лежит на высоте порядка 15 кы, сосредоточено около 80 «!« всей массы воздуха. В тропосфере происходит сравнительно слабая рефракция, заметная на большпх расстояниях.
Существенную роль, как ыы увидим, играют случайные неоднородности тропосфер)л. й(ы обсудили лиясь общие и главные особенности природных условий, определяющих характер распространения радиоволн. Проследим, как онп проявляются в разных диапазонах радиоволн. Для таких диапазонов как СДВ и ДВ все виды почв (и, теы более, водные среды) выступают как проводники. Земная поверхность отражает эти волны без значительного поглощения. Сверх- длинные и длинные волны неглубоко проникают в ионосферу. При малых частотах изменение диэлектрической проницаемости плазмы в зависимости от концентрации электронов является резким (см. п. 14.2А), так что нижняя граница ионосферы выраясена более четко.
Говорят, что длинные волны распространяются между двумя хорошо отражающими поверхностями, как в волноводе. Средние волны сильнее поглощаются почвой и глубже проникают в ионосферу. Для объяснения особенностей их распространения надо рассматривать суточный режим ионосферы.
В диапазоне КВ земная волна при распространении быстро поглощается; почва проявляет ссбл как Босоворшепный (поглосцающий) диэлектрик. В ионосферу волны проникают глубоко. Путем 473 Гл. !5. РАспгостгинеппв Радиоволн 4 В 1 3хз. Анализ РлспгостРАпвнпя РАдиОВОлн многократных возвращений из ионосферы и отраженпй от земной поверхности короткие волны покрывают практически люоые расстояния, относительно мало затухая. Сопоставляя связь на длинных и коротшгх волнах, надо учитывать, что в первом случае передающие антенны, представляющие собой огромные сооружения, все жс остаются малымп по сравпеншо с длиной волны.
Онп пмегот неболыпой к. п.д. п ооладают слаоой направленностью действия. В этом смысле па коротких волнах положение резко улучшается. Дальняя связь осуществляется прн помощи направленных антенн; мощности передатчиков относительно малы. Однако изменчивость ионосферы приводит к неустойчивости коротковолновой радиосвязи. Характеризуя диапазон УКВ, следует в первую очередь припять во внимание, что здесь ионосфера уясе пе обладает способностью возвращать рефрагнрующий луч к Земле. Типично использование распространения УКВ лигпь в пределах прямой видимости (трассв АВ', рис. 15.2а) и для связи с космическими объектамш Систематические и случайные изменения свойств природных сред оказывают сильное влияние на работу радиолиппй. Свойства попо- сферы зависят от солнечной активности, испытывая суточные, сезонные и более медленные изменения.
Тепловые режимы возтушпоп массы определяют свойства тропосферы. Случа!!пьге изменения, флуктуации свойственны в той плп иной мере всем раднолппиям. Одно пз проявлений этого — «замирания» передаваемых сигналов, случайные амплитудные вариация. При измерениях сигналов производят усредненно результатов.
!'.Дучайпые пзмепеппл, разумеетсл. ведут к искажениям спгпалое. Следует, однако, иметь в виду и полезную роль флуктуаций в виде пространственных ооразованпй в тропосфере п ионосфере. 1'асселппе па этях неоднородностях обусловливает распространение УКП за пределы прямой видимости. й 15.2. Геометрическая оптика и теория дпфракцпп прп анализе распространения радиоволн 15.2.!.
О возможностях постановки злектродпнампческой задач!а (А). В принципе, задача о распространении радиоволн в природных условиях есть задача электродинамики, которая ставится длл уравнении Максвелла. Но даясе, если отвлечься от изменчивости природных условий, остается исключительное разнообразие материальных сред п границ отдельных образований; соответствующую пнформацшо просто певозх!о»кпо учесть прп постановке злектродиламической задачи в полной мере. Возникает вопрос, какого рода идеализации прп постановке задачи лвляются допустимыми. Можно поставить п другой вопрос: какие упрощения придется ввести, чтобы задача могла быть решена строго? Н строгой постановке зада !и Земля замеплетсл однородным шаром в одпородпойилидалге радиальпо-неоднородной среде; прн этом находят электромагнитное поле заданных источников, формалязующих антенну.
Представляет интерес и плоская модель, в которой рассматриваются заданные источники вблизи границы разнородных полупространств. Задачи эти пе просты; возникающие математпческие трудности преодолевались поколениями специалистов; достаточно сказать, что этими вопросамп запималпсь такие выдающиеся физики-теоретики. как А. Зоммерфельд п паш соотечественник В. А. Фок [Г.б, 7). Изложение этого круга идей в данном курсе потреоовало бы неправомерно большого ооъема. Расстояния между передазощи»!п п приемными аптеппатш обычно во много раз превышают длину волны. Поэтому прп рассмотрении радиолиннй стараются применять представления оптики. На Рпс.
!б.в ис. 15.3а схематически показана радиолппия над земной поверхностью. Лучевая схема означает, что поле в точке приема В рассматривается как пален!ение, вообще говоря, трех волновых процессов: прямой волны — луч АВ, отраженной от Земли — лу ! пришедшей пз ионосферы — луч 4В В. Насколько удовлетворптельпа такая схемау Пусть существует только земная волна (луч ЛВ В отсутствует). Ясно, что окрестность точки В' должна представлять собой достаточно гладкую площадку. Гели, например, в этом районе располо- жены горы, здания, деревья и т.
пэ размеры которых не малы н с! >авнеппп с длиной волны, то каждый такой предмет порождает сложное поле дпфракцип. Понятно также, что приемная антенна может лежать в области тели (рис. 15.36). С точки зрения геометрической оптики поле в В должно быть равно нулю. Но правильную информацию может дать только решение задачи дифракции. Электромагнитные волны в известной мере огибают выпуклость Земли — тем больше, чем длиннее волна. Поэтому в начале века — до выяснения роли ионосферы — считалось, например, что короткие волны непригодны для дальней связи. Заметим, что действие предмета, затеплгощего радиотрассу, например, горного хребта (рис.
15.4а), можно уподобить влиянию края экрана в задаче дифракции на отверстии (см. п. 10.3.2). В этом приближении распределение поля за препятствием показано па рис. 15.4б. Интересно, что вблизи края геометрической тени имеет- ! . ь.О- ся ооласть усиления ноля: перпьш дифракцпош!ьш максимум. )осуждавшаяся схема анализа препятствия была упрощенной; кроме 475 474 ГЛ.
С5. РАСПРОСТРАНЕНПЕ РАДИОВОЛН с'а,' йср = — 2)сЯ = — '„сов 0. 4лз л (15.9) Рис, 15.4 Рис. 15,5 л .сос«А' прямых волн в общем случае рассматриваются также волны, пвреотраженные земной поверхностью. В заключение надо сказать, что подход геометрической оптики на рис. 15.3а, нуждается в дополнительном обосновании, которое будет проведено в п. 15.2.3. Оказывается, для прямого луча АВ »сон«но й' построить эллппсопдальную зону (рпс.
15.5а), вне которой пространство, практически, не влияет на формирование соответствующего поля в точке В. Ее называют областью, существенной для формирования поля, пли — кратко — доминаит>сой областью. Чем короче волна, тем долшнантная область уже. Построение домпнапыюй области отвечает на вопрос о размерах достаточно гладкой площадка в ок- рестности точки отражения В, при с'сэ) с'-с' которы с подход гсометроческоп оптики пркмспйм (рпс. 15.5о), а также о необходимой высоте поднятия антепп. Если она недостаточна, так э что доминантная область пересекает земную поверхность (рис. 15.5в), — такой подход оказывается, строго говоря, непри»сенсг»сым.
4с,'...э.;.,' 15.2.2. Оценка неровностей земной поверхности (й). Пусть плоская волна падает на поверхность раздела сред сложной формы, отклоняющуюся от плоскости не более, чем па высоту (глубину) й (рпс, 15.6). Это — задача дифракцпи. По решая ее, »сосссссо попытаться оцвппть, насколько поло рассеяния отличается от плоской 5 15л, Анллссз РАОНРООТРлнгния Рлдноволн волны, которая отражалась бы плоской границей (прп отсутствии неровностей). Можно ожидать, что малые элементы неровной поверхности действуют подобно элементам Ггойгенса, фаза которых определяется падающей волной.
Рассмотрим разность фаз двух лучей, как бы отраженных от верхнего н нижнего уровней неровной поверхности. Эта величина стср равна различию оптических путей А'сс'В' п А(сВ. Как видно из рпс. 15.6, Если Аср = О, сто будет при Ь (<Х, то точки В и В' можно считать синфазнымп, а это значит, что поле рассеяния можно рассматривать как плоскую волну: неровности границы не влияют па процесс. Считают, что пренеорежение неровностями в какой-то иере оправдано вплоть до фазовых отклонений с»ср порядка ясс2. Согласно (15.9) этому соответствует высота неровностей й ( ),)8 соз О.
(15. 10) Чвм ближе направление падающей волны к «скользящему» (О— 90'), тем большая высота неровностей допустима в соответствии с неравенством (15.10), которое называют критерием Рэлея. В диапазонах длинных и средних волн лесистую местность пли даже населенный пункт можно рассматривать как ровную поверхность, характеризуемую некоторым коэффициентом отражения, который ноже~ быть определен экспериментально.
По, например, для сантиметровых волн отдельный камень плн растение есть самостоятельный объект дпфракцип. Измерение свойств различных почв, морской воды в масштабах географических регпопов и исследование эквивалентных электродапамическах параметров (например, коэффициентов отражения) различных видов местности проводится в широких масштабах во всем мире. Этп данные публпкусотся в специальной литературе п пспользуготся при проектстровапии радиолиний. 15.2.3. Доминант»сан область радиолинии (Б). Чтобы выяснить, какая область пространства существенна при формировании поля излучения источника А в точке В, используем задачу о дифракции волны па отверстии в экране (см, $10.3). На трассе можно мысленно разместить экран с отверстием и увеличивать отверстие до тех пор, пока влияние экрана па иоле в точке В перестанет сказываться.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
