Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн (1992) (977984), страница 53
Текст из файла (страница 53)
В высотном профиле распределения электронной концентрации принято выделять ряд более или менее выраженных слоев, получивших специальные буквенные символы (рис. 14.1): ° Слой 11. Так называют самый нижний слой ионосферы, лежащий на высотах от 60 до 90 км. Слой П существует только днем.
Электронная концентрация в нем изменяется во времени пропорционально угловой высоте Солнца над горизонтом и не превышает !О' — 1О' см — '. Ночью этот слой исчезает под действием рекомбинации. ® Слой Е. Располагается на высотах порядка 110 км. Днем значение У, в данном слое достигает 1.5 10' см — ', а ночью падает до 5 1О' см — '. Ф Слой Р. Существует на высотах порядка 250 км днем и 320 км ночью. Данный слой характеризуется наивысшей электронной концентрацией, которая достигает 2 1Ов см — з в полуденные часы.
Ночью значения йс, в слое Р не превышают 2.10' см — з. Днем слой Р разделяется на два подслоя Р~ и Рз, которые ночью сливаются в единый слой. Заметим, что кривые, приведенные на рис. 14.1, имеют усредненный характер и могут существенно варьироваться в зависимости от выбора географических координат точки наблюдения. Кроме того, числовые значения электронной концентрации во всех ионосферных слоях существенным образом зависят от уровня солнечной активности, которая, в свою очередь, испытывает как регулярные изменения с периодом в 11 лет, так и случайные колебания. Имеется специальная международная служба, занимающаяся прогнозом состояния ионосферы. Использование таких прогнозов дает возможность существенно повысить надежность работы радиоканалов в земных условиях.
ш !тта Глава 44. Распространение радиоволн и вемных условиях 290 44.3. Влияние тропосферы и ионосферы на распространение радиоволн В соответствии с формулой (14.2) концентрация молекул в тропосфере Л'„ падает при увеличении высоты. Это, в свою очередь, приводит к снижению диэлектрической проницаемости воздуха е, а значит, и его показателя преломления и= 1е. Фактически показатель преломления воздуха в пределах тропосферы весьма мало отличается от единицы при любых условиях.
Поэтому в инженерных расчетах для удобства применяют так называемый индекс преломления Ф = (и — 1). 10'. (14.3) Это безразмерное число зависит от метеорологических условий и от выбора пункта наблюдения на поверхности Земли. В среднем значение У колеблется в пределах от 250 до 450. При увеличении высоты й индекс преломления тропосферы падает практически по линейному закону со скоростью с)У/М= = — 40 км '. Формула справедлива в интервале высот, не превышающих нескольких километров. Пример 14.2. Известно, что на уровне земной поверхности значение индекса преломления йсо=ЗОО. Найти относительную диэлектрическую проницаемость воздуха е на земле и на высоте й= =3 км.
Формула, определяющая параметр е, непосредственно вытекает из (14.3): ( дт )т Индекс преломления на высоте 3 км )с)=Мо — (с(ЛтЯЬ)Ь=ЗОО— — 40.3=180. Подставляя соответствующие цифры, находим, что е(Й=О) =1.0006, в то время как а(й=З км) =1.00036. Рассмотренный пример убеждает, что абсолютные изменения оптической плотности атмосферного воздуха при увеличении высоты оказываются незначительными. В большинстве случаев они не оказывают существенного влияния на процесс распространения радиоволн, например, в радиовещательных каналах длинноволнового и средневолнового диапазонов. Однако встречаются ситуации, когда важнейшей информацией служит угол прихода радиоволн, поступающих в приемную антенну.
В частности, с этим приходится 14.З. Влияние трояосферы и ионосферы 291 сталкиваться при создании высокоточных радиолокаторов и си. стем радионавигации. Здесь необходимо учитывать даже небольшое искривление луча из-за непостоянства коэффициенза преломления атмосферного воздуха вдоль вертикальной координаты. Это явление получило название атмосферной рефракв1ии. Соответствующий чертеж приведен на рис. 14.2. Слой неоднородного воздуха упрощенно представлен в виде двух соприкасающихся однородных слоев ! и 2 с показателями преломления и, н и,, причем п,(п,.
Углы падения ~р и преломления р связаны между собой формулой (6.24): 51п т з вв (14.4) Мпф и, 1/ Легко видеть, что в рассматриваемом случае всегда вр) р, т. е. луч в неоднородной по высоте тропосфере иск- ряс 14 2. Атмосферная рефрякривляется в сторону земной поверхности. Пример 14.3. Оценить эффект атмосферной рефракции для конкретных условий, описанных в примере 14.2. Реальный неоднородный слой заменить двумя однородными слоями с диэлектрическими проницаемостями ев=1.0006 и ея=1.00036.
Положить угол падения вр=70'. Используя найденные в примере 14.2 значения индексов преломления Ив=300 и М=!80, находим показатели преломления обоих слоев по формуле п=10-' М+ 1, откуда и =1.0003 и и,= =1.00018. Подставив эти результаты в формулу (14.4), находим угол преломления: ф=агсз1п~ ' )= — 704'. / в!и 70' 1 0.99958 Таким образом, искривление траектории луча под действием атмосферной рефракции оказывается небольшим. Однако если путь, проходимый волной в тропосфере, достаточно протяжен и составляет, скажем, 1О км, то угловая ошибка в 4' или 1.16;н', К10-Я рад приведет к погрешности в определении координаты цели по поперечной координате около 11 м. В ряде случаев такая ошибка может оказаться существенной. К тому же следует иметь в виду, что выше рассматривалась атмосферная рефракция в стандартных условиях.
Если же под действием метеорологических факторов возникают большие градиенты температуры и плотности воздуха, то эффект рефракции может существенно возрасти. 10* Глава 14. Распространение Радиоволн в веля»ге условиях Обратимся теперь к вопросу о затухании радиоволн в тропосфере.
Эксперименты показывают, что на частотах ниже 1000 МГц затухание в чистом воздухе пренебрежимо мало. На более высоких частотах начинает сказываться резонансное поглощение радиоволн молекулами тех газов, из которых состоит атмосфера. Особенно сильно этот эффект проявляется в коротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазоне. На рис. 14.3 приведены кривые, описывающие вклады в общее затухание двух наиболее существенных комполавг, ля/вя нентов — молекулярного кислорода От и водяного пара НгО. Особенно ярко выраженными 1 .
0,1„„0 оказываются резонансные пики поглощения в кислороде на дли- 0.1 I не волны 5 мм и в водяном паре на длине волны 12.5 мм. Сушествуют и «окна прозрачности» 0.01 атмосферы, например в окрестно- сти длины волны 1=8 мм. 0001 Наконец, необходимо указать аг аг ау 1 г 0 сн на тот вклад в ослабление ра- диоволн СВЧ-диапазона, котоРис. 14.3. Зависимости погонногоаатуяаиия радиоволн я атмосферном рый могут вносить туман и аткислороде и и водяном паре отдли- мосферные осадки, Особенно иы волны сильно их влияние проявляется на волнах короче 3 см.
Здесь дополнительное ослабление из-за сильного дождя может достигать 1 дБ/км и даже более. Это обстоятельство серьезно осложняет работу систем ближней радиолокации, а также лимитирует наивысшие частоты, применяемые в радиорелейных линиях связи. Что же касается наземных лазерных линий связи оптического диапазона, то для них потери энергии сигнала из-за рассеяния на водяных каплях служат основным фактором, лимитирующим дальность связи. Отражение радиоволн от ионосферных слоев, Как известно, бесстолкновительная плазма представляет собой диспергирующую среду, показатель преломления которой зависит от частоты поля 1 и в соответствии с формулой (5.15) записывается в виде )/1 (е ге)2 (14.5) где 1„=8.98 УФ, — плазменная частота, Гц; электронная концентрация у, имеет размерность м а.
Предположим, что плоская электромагнитная волна падает из вакуума по направлению нормали на однородную полубесконеч- 14.8. Влияние троносферы и ионосферы 293 ную плазменную среду. Характеристическое сопротивление плазмы ,=1/' — = (14.6) =, —.;= У „'.„,. обращается в бесконечность при 1=1'„; на частотах, превышающих плазменную частоту, это сопротивление действительно, а при ~(~„, характеристическое сопротивление плазмы оказывается чисто мнимым.
Если теперь обратиться к формуле (6.11) и записать коэффициент отражения от границы раздела плазма — воздух в виде 2с — 2о ~ — У1 — (уааУ)' (14.7) а,аа, ~ауТ-'Ьу7р то можно заметить, что величина ~11~ равна единице при 1=1аа; это равенство сохраняется и на всех частотах, более низких, чем плазменная, т. е. в условиях непрозрачности плазмы для радиоволн.
Итак, полубесконечный плазменный слой полностью отражает все электромагнитные волны, частоты которых не превосходят критической частоты 1„р, численно совпадающей с плазменной частотой ~„„. Как уже говорилось, наибольшая электронная концентрация наблюдается в слое Р ионосферы. Если принять, что длЯ этого слоЯ Машах=2'10ш м г в дневные часы и 1иашаа=2~( Р',1Оп м-г ночью, то значение частоты („р составит 12.7 МГц днем и 4 МГц ночью. Рассмотрим теперь падение плоской волны на полубесконечную бесстолкновительную плазму под произвольным углом гр, который отсчитывается от направления нормали к границе раздела плазма — воздух.
В общем случае в плазме будет возникать преломленная волна; угол преломления ар может быть найден нз закона Снелла аю т )/ 1 (у 1а)г (14.8) Если ~(~аа, то правая часть равенства (14.8) оказывается мнимой, а это, в свою очередь, означает, что угол преломления гр становится комплексным. Как указывалось в $6.8, вся мощность падающей волны при этом отражается от границы раздела назад в воздушную среду. Если же ~)~аа, т. е. плазма как таковая прозрачна для электромагнитных волн, то преломленная волна в плазме принципиально может существовать. Однако здесь следует учитывать, что показатель преломления плазмы п является действительным чис- Глава !4.
Распространение радиоволн в земных условиях лом, но всегда меньше единицы. Поэтому в данном случае зр)<р и возможно явление полного внутреннего отражения, когда ф= =90', так что преломленная волна перестает быть обычной однородной плоской волной (см. 9 6.7). Критическим углом падения гр„плоской волны на однородный плазменный слой называют такой угол падения у, при котором возникает полное внутреннее отражение от границы раздела (рис. 14.4).
В соответствии с формулой (14.8) рер — — агс сбп )т 1 — (у'ил! 7)'. (14.9) Если р ~р„р, то падающая из воздуха плоская волна целиком отражается от полу- бесконечного плазменного слоя; если же <р«р„е, то падающая волна частично преломляется внутрь плазмы. Рис. 14.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
