Распространение радиоволн в земных условиях Распространение радиоволн

Распространение радиоволн в земных условиях Распространение радиоволн

Содержание 1. Введение 2. Физические процессы при распространении земной волны 3. Преломление и отражение радиоволн в ионосфере 4. Отражение плоских радиоволн на границе воздух — гладкая поверхность Земли 5. Коэффициент отражения Френеля 6. Отражение радиоволн от шероховатой поверхности 7. Классификация случаев распространения земных радиоволн 8. Поле излучателя над плоской земной поверхностью 9. Поле излучателя вблизи плоской земной поверхности 10. Распространение радиоволн в полупроводящей среде 11. Вопросы для самоконтроля

Введение Законы распространения радиоволн в свободном пространстве сравнительно просты, но чаще всего радиотехника имеет дело не со свободным пространством, а с распространением радиоволн над земной поверхностью. Как показывают и опыт и теория, поверхность Земли сильно влияет на распространение радиоволн, причем сказываются как физические свойства поверхности (например, различия между морем и сушей), так и ее геометрическая форма (общая кривизна поверхности земного шара и отдельные неровности рельефа — горы, ущелья и т. п. ). Влияние это различно для волн разной длины и для разных расстояний между передатчиком и приемником ( ).

Физические процессы при распространении земной волны преломлением волн, обусловленным пространственной неоднородностью атмосферы; процесс преломления осложняется двойным лучепреломлением в анизотропной ионосфере; рассеянием поля на локальных неоднородностях атмосферы; ослаблением напряженности поля в газах тропосферы, в осадках типа дождя, тумана и др. ; поглощением, обусловленным конечной проводимостью ионосферы; изменением поляризации волны в анизотропной ионосфере и деполяризацией в осадках; регулярными и случайными флуктуациями напряженности поля, связанными с изменениями электрических параметров атмосферы; искажениями передаваемой информации из за многолучевой структуры принимаемого поля и дисперсии.

Преломление и отражение радиоволн в ионосфере Отражение радиоволн, посланных с поверхности Земли на ионосферу, происходит не на границе воздух — ионизированный газ, а в толще ионизированного газа. Отражение может произойти только в той области ионосферы, где диэлектрическая проницаемость убывает с высотой а, следовательно, электронная плотность возрастает с высотой, т. е. ниже максимума электронной плотности ионосферного слоя. см. далее преломление и отражение радиоволн в ионосфере

Отражение плоских радиоволн на границе воздух — гладкая поверхность Земли Электромагнитная волна, падая на гладкую границу раздела двух сред, частично отражается от этой границы (причем угол падения равен углу отражения) и частично проходит в глубь второй среды. Поэтому в первой среде имеются падающая и отраженная волны, а во второй — преломленная волна. В зависимости от направления вектора Е относительно по верхности Земли различают два вида поляризации—вертикальную (а) и горизонтальную(б).

Коэффициент отражения Френеля * есть отношение комплексных амплитуд напряженностей полей падающей и отраженной волн, определенных на идеально гладкой плоской поверхности раздела. Для вертикально и горизонтально поляризованных волн, падающих из свободного пространства на полу проводник, значения коэффициентов Гв и Гг рассчитывают по формулам: где θпад—угол падения волны на границу раздела сред; Ф — его фаза. волны, проходящей во вторую среду. Для этого используется понятие коэффициента прохождения. Коэффициент прохождения можно выразить через коэффициент отражения Г. При вертикальной поляризации и при горизонтальной

Отражение радиоволн от шероховатой поверхности Шероховатая поверхность создает отраженный сигнал не только в направлении угла отражения, равного углу падения, но и в других направлениях, включая и обратное. Поэтому наличие неровностей приводит к уменьшению эффективного коэффициента отражения в направлении зеркального луча. Главным фактором в формировании отраженного поля являются фазовые соотношения, определяемые разностью хода волн от источника излучения до элементов поверхности. Рассеянный сигнал может иметь помимо составляющей той же поляризации, что и падающая волна, составляющую ортогональной поляризации. Расчет напряженности поля рассеянных волн ведется в случае крупных неровностей по методу Кирхгофа, а в случае мелких неровностей — по методу возмущений. Поверхность можно считать ровной, если максимальная высота неровностей hн удовлетворяет следующему неравенству, называемому критерием Рэлея. На формирование отраженной волны основное влияние оказывает участок поверхности, ограниченный 1 й зоной Френеля.

Отражение радиоволн от шероховатой поверхности При нормальном падении волны на поверхность 1 я зона Френеля представляет собой окружность радиусом (см. Метод зон Френеля и визуальное представление ), при наклонном — эллипс, большая ось которого вытянута в направлении распростра нения волны. Размеры малой и большой полуосей эллипса 1 й зоны Френеля соответственно равны: концов трассы до точки где ra и rb — расстояния от геометрического отражения; — угол падения волны (см. видеоматериал )

Классификация случаев распространения земных радиоволн Влияние земной поверхности на условия распространения радиоволн можно свести к двум случаям: первый — излучатель или приемная антенна подняты высоко (в масштабе длины волны) над поверхностью Земли, второй передающая и приемная антенны находятся в непосредственной близости от Земли.

Классификация случаев распространения земных радиоволн В первом случае, типичном для ультракоротких и частично коротких радиоволн, метод расчета напряженности поля зависит от протяженности радиолинии по сравнению с расстоянием «прямой видимости» r 0, вычисляемым по формуле где R 0= 6, 37 106 м — радиус Земли; h 1 и h 2 — высоты подъема антенн, м. При протяженности радиолинии r < < 0, 2 r 0 земную поверхность можно считать плоской, при 0, 2 r 0 < r < 0, 8 r 0 вносятся поправки на сферичность земной поверхности, при r > 0, 8 r 0 расчет напряженности поля ведется с учетом дифракции радиоволн. Во втором случае, относящемся главным образом к средним и длинным волнам, при протяженности радиолинии не более: 300 400 км (для λ, 20000 м); 50 100 км (для λ, 50 200 м); 10 км (для λ, 10 50 м) земную поверхность считают плоской. На радиолиниях большей протяженности расчет напря женности поля ведется с учетом дифракции.

Поле излучателя над плоской земной поверхностью В случае, если волна достигает земной поверхности на значительном (в масштабе длины волны) расстоянии от излучателя, то участок фронта волны вблизи земной поверхности можно считать плоским. На радиолинии малой протяженности r < 0, 2 r 0 поле в месте приема является результатом интерференции полей прямой волны и волны, отраженной от плоской земной поверхности причем напряженность электрического поля отраженной волны определяется при помощи коэффициентов отражения Френеля. Прямая волна распространяется по пути АВ, отраженная по пути АСВ, а линия АО есть направление максимального излучения передающей антенны. Результирующее поле определяется интерференционной формулой где Em cв амплитудное значение напряженности электрического поля в свободном пространстве на заданном расстоянии r (м) от излучателя. Корень из трехчлена называется интерферен ционным множителем.

Поле излучателя над плоской земной поверхностью

Диаграммы направленности антенн, поднятых над поверхностью Земли результирующие диаграммы вертикальный вибратор — Земля (б), когда почвой, принимаемой за На рисунке представлены направленности систем Земля (а) и горизонтальный излучатель поднят на высоту идеальный диэлектрик. над

Поле излучателя вблизи плоской земной поверхности В качестве излучателя рассмотрим вертикальный электрический вибратор. Действие на вертикальный вибратор идеально проводящей поверхности можно заменить действием фиктивного вибратора той же длины, расположенного симметрично основному вибратору относительно поверхности. Тогда электрическое поле в дальней зоне непосредственно на поверхности определяется формулой реального вибратора где – действующая длина

Поле излучателя вблизи плоской земной поверхности Диаграмма направленности такой антенны имеет максимум излучения вдоль поверхности земли. Когда источником радиоволн является горизонтальный вибратор, расположенный над идеально проводящей поверхностью на высоте, много меньшей длины волны, ток в зеркальном изображении вибратора имеет направление, противоположное току в самом вибраторе. Поля, создаваемые этими вибраторами вблизи поверхности, взаимно компенсируются, и результирующее поле оказывается равным нулю. При неидеальной проводимости земной поверхности полной компенсации не происходит, однако поле горизонтального вибратора значительно слабее поля вертикального вибратора, поэтому наибольший интерес представляет использование вертикального вибратора. Если поверхность, вблизи которой расположен вертикальный излучатель не является идеальным проводником, то часть энергии радиоволн, распространяющихся от антенны, проникает в глубь земной поверхности.

Распространение радиоволн в полупроводящей среде При распространении радиоволн в полупроводящей среде амплитуда поля убывает с расстоянием по экспоненциальному закону, а фаза меняется линейно. Мгновенное значение напряженности поля волны, распространяющейся в полупроводящей среде в направлении одной из координатных осей, записывется где Em cв амплитудное значение напряженности электрического поля в свободном пространстве на заданном расстоянии r (м) от излучателя. Величина α характеризует потери энергии в среде и называется коэффициентом затухания. Физически потери обусловлены переходом энергии электромагнитных волн в тепловую энергию движения молекул. Величина (коэффициент фазы) характеризует изменение фазы волны. Для расчета поля непосредственно у поверхности, когда излучателем является вибратор, расположенный вблизи полупроводящей поверхности, применяют формулу, выведенную одновременно М. В. Шулейкиным и Б. Ван дер Полем.

Список использованных источников 1. Баскаков С. И. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов по спец. «Радиотехника» . —М. Высш. шк. , 1992. 2. Ерохин Г. А. Антенно фидерные устройства и распространение радиоволн. — Горячая Линия – Телеком. ISBN: 978 5 93517 370 0