Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн (1992) (977984), страница 56
Текст из файла (страница 56)
Однако, как правило, поглощение волн в слое достаточно интенсивно, так что общие потери в высокочастотн м радиоканале могут оказаться выше, чем в низкочастотном, П актика показывает, что высокочастотный участок КВ-диапазона,(Л=15 —:ЗО м) целесообразно использовать в дневные часы. Длй работы в ночное время более пригоден низкочастотный участок|диапазона (Л=40 —:100 м). Важцо отметить, что чисто ионосферный механизм распространения коротких волн приводит к тому, что лучи принципиально не могут попасть в точки земной поверхности, находящиеся примерно под областью отражения. Как следствие, электромагнитное поле здесь отсутствует. Такие участки вдоль трассы называют зонами молчания.
Электромагнитные волны КВ-диапазона могут испытывать целый ряд скачков, т. е. последовательных отражений от ионосферы и от поверхности Земли. Это дает возможность существенно увеличивать протяженность канала, а при благоприятных условиях даже поддерживать радиосвязь между антиподами, т. е. корреспондентами, располагающимися на одной прямой, проходящей через центр Земли. Отметим в заключение, что распространение волн КВ-диапазона на большие расстояния обычно сопровождается глубокими замираниями, которые серьезно осложняют работу радиоканалов и наряду с интенсивными помехами препятствуют высококачественному радиовещанию на волнах этого диапазона. Большие сложности возникают также из-за исключительно высокой плотности размещения передатчиков в этом участке спектра.
Распространение ультракоротких волн. Электромагнитные волны с частотами выше ЗО МГц практически не отражаются от ионосферных слоев в обычных условиях. С другой стороны, малость длины волны таких колебаний по сравнению с радиусом Земли приводит к тому, что дифракционные эффекты в этих диапазонах выражены слабо. Если приемная антенна размещается ниже уровня горизонта, т. е. попадает в область геометрической «тени», то поле в точке приема будет, как правило, весьма слабым. Поэтому радиолинии УКВ работают обычно в условиях прямой видимости. Эти условия естественно выполняются в космических линиях связи. Если же приемник и передатчик размещены вблизи земной Глава 14.
Распространение радиоволн в венных усдовиях 304 все входящие сюда величины выражены в метрах. Рис. 1430. Интерференция прямой и отраженной воли Рис. 149. Вычисление вредельной длины трассы с прямой видимостью (масштаб чертежа условный) Рассмотрим, например, УКВ-радиолинию между диспетчерской службой аэропорта и командиром воздушного лайнера.
Пусть И,=.— =50 м — высота антенны аэропорта, И,=10000 м — высота полета самолета. В соответствии с формулой (14.19) предельная длина трассы с прямой видимостью Е=540 км, что обычно вполне достаточно для оперативного управления воздушным движением в зоне аэропорта. Заметим, что фактически длина трассы даже несколько больше из-за атмосферной рефракции радиоволн. Если направленные свойства применяемых антенн недостаточно совершенны, то часть энергии излучается передающей антенной по направлению к земной поверхности, отражается от нее и попадает на вход приемника наряду с энергией прямой волны.
Описанное явление представляет собой интерференцию падающей и от- поверхности, то факторами, ограничивающими протяжетность УКВ-радиолинии, служат высоты подъема антенн над зем ей. Обратимся к рис. 14.9, на котором условно изображены антенны, приподнятые над земной поверхностью на отрезки И, и а. Предельно возможная длина трассы распространения с прям видимостью будет получена в том случае, когда луч АВ каса тся поверхности Земли в точке С. Примем во внимание, что О =)1а= =6370 км, а также то, что обычно И,Я,«1, ИаЯ,«1. То да максимальная длина трассы Е=АС+СВ=~/(Гт'а+И1) — Йа+ Р Фа+И.,) — Йз. Пренебрегая квадратами малых величин, отсюда получим ~ Š— 2)ГР,ЯЬ,+)ГИя) 5 05.10а(ф~Й1+)ГИ~) 1,, (14 19) 14Х диоволн различных диапазонов 305 раже на ра н с пер ская АО и резка антен В сти, т орая может оказывать существенное влияние ин УКВ-диапазона.
ематически изображена подобная раднолиния очке А и приемником в точке В. Геометричераженной волны равна сумме длин отрезков роения видно, что эта сумма равна длине отющего «зеркальное изображение» передающей вмещения приемной антенны. трассы, измеренная вдоль земной поверхно- АВ =)~'((з, — Ь,)'+с(а; СВ =)/ (д, +/з,)'+ г(з. Разностй' геометрических длин двух путей В-С — АВ-з ~р 1-$( *' *' ) — $1-$( ' *' ) 1.
(!420) )х=1 — ехр( †/ 2рйзйз (14.23) На практике обычно Ь1/г(«1; Ьз/Н«1, т. е. относительные высоты подъема антенн невелики. Это дает основание воспользоваться приближенным равенством !'1 + х=1 + х/2, справедливым при х«1. Выполнив элементарные преобразования, убеждаемся, что формулу (14.20) можно представить следующим образом: 3 — 2л,да/А (14.21) Предположим для простоты, что передающая антенна излучает волны с одной и той же интенсивностью по всем направлениям. Тогда в точке приема амплитуды колебаний, обусловленных прямой и отраженной волнами, будут одинаковыми. Фазы же этих колебаний окажутся различными: во-первых, при достаточно наклонном падении на земную поверхность фаза отраженного колебания получит дополнительный сдвиг на угол, близкий к 180' (см.
гл. 6); во-вторых, отраженный луч длиннее прямого луча на величину б, которая устанавливается формулой (14.2!). В результате комплексная амплитуда сигнала на входе приемной антенны приобретает вид Е=Еф — хр ~ — г' ~~ '~ ) 1, (14.22) где Ео — некоторая амплитуда, относящаяся к прямому лучу (ее конкретное значение не играет роли); р=2я/Х вЂ” коэффициент фазы плоской волны в свободном пространстве. Назовем величину Збб Глава 44, Распространение радиоволн в земных целоваях интерференционным множителем. Амплитуда сигнала нц) входе гриемннка пропорциональна модулю этого комплексного числа! 1 !т 1 =(~1 — С05 ( Л +5!П ( )( =2 (51п — !. ~ (14.24) Данное равенство представляет собой интерференциониую формулу для расчета УКВ-радиолинии, полученную в свое время акад.
Б. А. Введенским. Как следует из 3 (14.24), если изменять высоту приемной антенны Ь,, оставив другие параметры системы неизменными, г то амплитуда принимаемого сигна! „'""'" л,. ла будет изменяться по пемонотонному закону. В частности, если йй!йа/е(=л, то отраженный луч Рис. !4.1!. Троиосферное рас- «гасит» прямой и сигнал на входе сеяние радиоволн: приемника исчезает.
1 — перекатчик; т — приемник: Чтобы бороться с интерферен- 3 — рассеиваьший абиев ционными явлениями, следует сужать диаграммы направленности применяемых антенн. В УКВ-диапазоне нашел практическое применение интересный механизм дальнего распространения, получивший название тропосферного рассеяния (рис. 14.11). Здесь для создания поля в точке приема, находящейся глубоко за горизонтом, используется рассеяние падающей волны на турбулентных неоднородностях тропосфе. ры, которые всегда присутствуют на высотах 1Π— 20 км. Этот способ связи требует применения остронаправленных антенн и передатчиков значительной мощности (от единиц до сотен киловатт).
Однако в большинстве случаев тропосферные линии дальней УКВ- связи экономически выгодны, так как не требуют никаких промежуточных сооружений вдоль трассы. Используются также линии связи на УКВ с рассеянием от метеорных следов, время от времени возникающих в атмосфере на высотах 60 — 100 км.
Эти высокоионизированные плазменные образования существуют всего несколько секунд, но имеют большую отражательную способность и дают возможность отдельными «порциями» передавать значительные объемы цифровой информации на расстояния в несколько сотен километров. Отметим в заключение, что волны УКВ-диапазона часто используются для организации связи между подвижными объектами, например между автомобилями в условиях больших городов.
Условия распространения волн оказываются здесь весьма сложны- 44Х аеароетранение радиоволн различных диаиазонов 307 ми из)за. дифракции па местных предметах. Расчет и проектирование ~таких радиолиний ведется на основе сбора статистической информации об условиях приема радиосигналов в различных условиях, Экологические проблемы. Заканчивая главу', кратко остановимся на яажном вопросе который хотя и не связан непосредственно с распространением радиоволн, но приобрел в наши дни особое значение. Дело в том, что технологическое развитие общества сопровождается непрерывным возрастанием интенсивности электромагнитных полей искусственного происхождения, которые окружают человека на производстве и в быту.
1(ак следствие, актуальной становится защита здоровья человека от вредного влияния мощных полей, длительно воздействующих на организм. Упомнутая здесь проблема относится к компетенции радиационной биологии, которая среди прочего занимается комплексным изучением влияния электромагнитного поля на живое вещество. Установлено, что наиболее опасными для человека оказываются ионизирующне излучения, энергия квантов которых достаточна для отрыва электронов от атома. Такими свойствами обладают ультрафиолетовая радиация и все другие более коротковолновые излучения, например электромагнитные волны рентгеновского диапазона.
Биологический эффект поглощенного ионизирующего излучения выражают в особых единицах — грэях (Гр). Одному грэю соответствует поглощение энергии в 1 Дж на 1 кг массы вещества. Важнейшее средстзо защиты человека — ограничение дозы поглощенного излучения. По нормам, принятым в США, для лиц, подвергающихся облучению на производстве, предельно допустимая годовая доза составляет 50 мГр. Индивидуальная доза для остального населения не должна превышать 50 мГр за 30 лет без учета естественного радиационного фона 141). На радиочастотах энергия квантов 1фотонов) недостаточна для ионнзации атомов вещества. Падающее электромагнитное поле переводит атомы или молекулы в возбужденное состояние.
Вслед за этим атомы или молекулы возвращаются в исходное состояние, излучая новые кванты той же самой частоты. В конечном итоге вся энергия радиоволн, поглощаемая организмом, переходит в теплоту. Этим часто пользуются в медицине для поогревания внутренних органов. Однако длительное воздействие на человека СВЧ-полей с плотностью потока мощности в несколько мВт/смз приводит к болезненным явлениям, прежде всего к помутнению хрусталика глаза.
Не исключается возможность генетических изменений в организме. Поэтому при эксплуатации соответствующего оборудования следует неукоснительно соблюдать научно обоснованные нормы радиочастотного облучения персонала 1421. 308 Глава 44. Распространение радиоволн в земных уулоеиях ЗАДАЧИ 14.1. Покажите, что сухая почва на частоте 300 МГц, может рассматриваться как диэлектрическая среда с потерями. 14.2. Рассмотрите задачу об атмосферной рефракции в плоско- слоистой среде, образованной соприкасающимися слоями без потерьтолщиной д каждый.
Слои имеют убывающие по высоте показатели преломления и,' и,'- и,'- ... Известным считается угол падения ~у на первый слой из вакуума. 14.3. На полубесконечную плазменную среду падает плоская электромагнитная волна с частотой, в 1.5 раза превышающей плазменную частоту. Найдите значение критического угла падения на такую среду. 14.4. Передающий конец космической радиолинии снабжен зеркальной параболической антенной с площадью 1000 м'. Аналогичная по конструкции приемная антенна имеет площадь 30 м'. Рабочая длина волны 7.5 см. Приемник с полосой пропускания 15 кГц имеет шумовую температуру 120 К. Определите предельную длину радиолинии, при которой отношение сигнал/шум на входе приемника будет не ниже 3 дБ.
14.5. На сколько сократится длина линии, рассмотренной в задаче 14.4, если полосу пропускания приемника расширить до 1 МГцу 14.6. Спроектируйте линию КВ-связи длиной 1200 км, работающую за счет отражения радиоволн от слоя Р ионосферы. Концентрация электронов в слое 1.5.10ге м — з, высота слоя 260 км. 14.7. Найдите предельную длину трассы с прямой видимостью между антенной Останкинского телецентра (3=500 м) и антенной коллективного приема телевидения, расположенной на крыше жилого дома (3=-40 м). ЗО9 Часть вторая Факультативный Но кто введет меня в еще более скрытую областц где аЛысль сочетается с фактом, где мы видим умственную работу математика и физическое действие молекул в их истинном соотношении? Максвелл Глава пятнадцатая ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ И ЗАМЕДЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ В предыдущих главах рассматривались волноводные линии передачи, в которых фазовая скорость распространяющихся колебаний была равна скорости света или превосходила ее.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
