Тема 9 Распространение радиоволн в околоземном и космическом

Тема 9. Распространение радиоволн в околоземном и космическом пространстве Лекция № 14 (22). Распространение электромагнитных волн в плазме 1. Электрические параметры ионосферы. 2. Траектория радиоволн в ионосфере. Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22). 1

1 Электрические параметры ионосферы Самая высокая область атмосферы ионосфера. Оказывает определяющее влияние при распространении на коротких, средних и длинных волнах. Образуется в результате воздействия ионизирующего волнового и корпускулярного излучения Солнца на газы атмосферы. Структура и свойства зависят от - солнечной активности; - плотности и состава атмосферного газа на различных высотах; - движений в атмосфере; - вариаций магнитного поля Земли и др. 2 Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22).

Характерные области ионосферы: - Слой D (высоты 60. . 80 км); - Слой E (высоты 80. . 130 км); - Слой F (свыше 130 км). Рисунок 14. 1 - Положение слоев в зависимости от времени суток Рисунок 14. 2 - Концентрация электронов и их активность Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22). 3

Ионосфера представляет собой ионизированный газ – плазму. Особенность среды – взаимодействие между ионами. В целом плазма квазинейтральна (концентрации электронов и ионов приближенно равны). Частота колебаний частиц плазмы называется плазменной частотой (собственной частотой ионизированного газа, частотой Ленгмюра) (14. 1) где - масса электрона [кг]; - заряд электрона [Кл]; - электрическая постоянная [Ф/м]; - концентрация электронов в единице объема [см 3]. Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22). 4

Процесс взаимодействия между двумя частицами в плазме называется столкновением и характеризуется величиной n ‑ числом столкновений в секунду частиц различного вида. По концентрации электронов и числу столкновений n в слои атмосферы различаются. Основной максимум ионизации, называемый слоем F 2, расположен на высотах от 250 до 400 км. Области ионизации, находящиеся выше и ниже основного максимума ионизации, называют внешней и внутренней ионосферой. Каждый слой характеризуется: - электронной плотностью в максимумах ионизации; - высотой нижней границы слоя; - числом соударений электрона с тяжелыми частицами. Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22). 5

При проектировании радиотрасс используется приближение простого слоя: - Ионосфера представляется одним слоем; - Внутри слоя электронная плотность распределена по параболическому закону (14. 2) - Число столкновения определяется по экспоненциальному закону (14. 3) где - электронная плотность в максимуме ионосферного слоя; - полутолщина ионосферного слоя; h 0, hв – высота нижней и верхней границ слоя. Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22). 6

Электрические параметры ионосферы определяются колебаниями ионов в такт радиоволны, в результате чего возникает конвекционный ток. Комплексная диэлектрическая проницаемость ионосферы: (14. 4) После разделения на действительную и мнимую составляющие, получаем: Относительная диэлектрическая Удельная электрическая проницаемость проводимость (14. 5) Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22). (14. 6) 7

Анализ соотношений (14. 4) и (14. 5) показывает: 1) относительная диэлектрическая проницаемость ионосферы всегда меньше единицы (e<1) , что объясняется отставанием фазы тока, созданного движением зарядов, от фазы тока смещения в свободном пространстве; 2) относительная диэлектрическая проницаемость e ионосферы зависит от концентрации электронов ; 3) относительная диэлектрическая проницаемость e ионизированного газа зависит от рабочей частоты w электромагнитной волны. Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22). 8

Приближенные выражения для формул (14. 5) и (14. 6): При высоких частотах , что соответствует пренебрегаем слагаемым , получаем: (14. 7) МГц (14. 8) Основное влияние ионосфера оказывает на волны, распространяющиеся на частотах от 3 до 100 МГц. следовательно, коэффициент фазы волны Коэффициент затухания убывает с ростом частоты: Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22). 9

В диспергирующей среде фазовая и групповая скорости определяются соотношениями: Приближенные выражения для формул (14. 5) и (14. 6): При низких частотах , пренебрегаем слагаемым , получаем: (14. 9) (14. 10) Электрические параметры ионосфера не зависят от частоты. Коэффициент затухания: Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22). 10

2 Траектория волн в ионосфере Электрические свойства ионосферы неоднородны по высоте. Это приводит к искривлению траектории радиоволны. Условие отражения радиоволны от ионосферы (относительно угла входа): (14. 11) где - угол входа волны на нижнюю границу ионосферы. Рисунок 14. 3 – Траектория волны в ионосфере Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22). 11

Способы измерения время прихода волны Уравнение траектории для произвольной высоты h: (14. 12) В диспергирующей среде различают фазовую и групповую скорости. В связи с этим различают пути волны: фазовый (1) реальный (2) групповой (3) Время прохода волны по фазовому и групповому путям можно измерить. Реальный путь – среднее между ними. - Рисунок 14. 4 – Виды путей распространения волн в ионосфере Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22). 12

Условие отражение волны от ионосферы (относительно частоты): (14. 13) Закон секанса, определяющий максимальную рабочую частоту, при которой волны отразятся от ионосферы при заданных электронной плотности и угле падения: (14. 14) Критическая частота – частота, при которой волна отражается в случае вертикального падения на ионосферный слой: (14. 15) Нормальное падение волны: - отражения не происходит, если. Волна уходит в космос; - в противном случае волна отражается на той высоте, где. Наклонное падение – ионосфера прозрачна для частот. 13 Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22).

Способы распространение ионосферной волны Ограничение угла падения волны на ионосферу, обусловленное сферичностью Земли: (14. 16) где км – радиус Земли; - высота нижней границы отражающего слоя ионосферы. Величина угла, определяемого (14. 16), ограничивает частоту рабочего диапазона. Расчеты показывают, что от ионосферы могут отражаться волны длиннее 10 м. Способ распространения – скачковый. Характеризуется расстоянием скачка. Внутри скачка – зона молчания. Расстояние зоны молчания: (14. 17) Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22). 14

Схема распространение ионосферной волны Рисунок 14. 5 – Схема распространения ионосферных волн: 1 - интерференция волн, отраженных однократно и двукратно от ионосферы; 2 – волна, однократно отраженная от ионосферы; 3 – волна, распространяющаяся путем двух отражений от ионосферы; 4 – волна, направление распространения которой совпадает с направлением максимального излучения антенны; 5 – волна с рабочей частота , большей максимально допустимой. Электродинамика и РРВ. Сем. 2. Лекция 14(22). 15