|
|
Лед (t = -10° С)
>1,0
0,1
0,03
4-5
3,5
3,2
Снег (t = -10° С)
>1,0
0,1
0,03
1,2
1,2
1,2
10-6
10-5
10-5
Мерзлая почва
(t = -35° С)
>1,0
0,1
0,03
3—7
—
—
10-3—10-2
—
—
Лес
>10
0,1—5
1,004
1,04—1,4
10-6 — 10-5
10-5 — 10-3
Продолжение табл. 2.1
Влажная почва для метровых и более коротких волн может рассматриваться как диэлектрик. Следовательно, для волн сантиметрового диапазона все виды земной поверхности имеют свойства, близкие к свойствам идеального диэлектрика.
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 [2]
(2.1)
где Еm св определяется из (1.1).
Величина α характеризует потери энергии в среде и называется коэффициентом затухания. Физически потери обусловлены переходом энергии электромагнитных волн в тепловую энергию движения молекул. Величина b (коэффициент фазы) характеризует изменение фазы волны. Эти величины можно записать в следующем виде [2]:
(2.2)
(2.3)
Скорость перемещения заданной фазы в направлении распространения волны nф, называемая фазовой скоростью, связана с величиной β:
. (2.4)
Отношение
. (2.5)
называется показателем преломления среды.
Длина волны в среде
При
При
;
Поглощение радиоволн в среде оценивается интегральным коэффициентом Г и выражается в децибелах:
Погонное поглощение выражается в децибелах на метр:
Расстояния, на которых происходит ослабление Еm в 106 раз (на 120 дБ) при распространении радиоволн во влажной почве и морской воде, приведены в табл.2.2.
Таблица 2.2
Расстояния, на которых происходит ослабление
ƒ, МГц
, м
Расстояние, на котором значения Еm ослабляются на 120 дБ, м
Влажная почва
Морская вода
100
1
0,01
3
300
30000
23
70
700
0,37
3,5
35
Следовательно, для осуществления радиосвязи через толщу земной поверхности или моря (например, для связи с подводными лодками, находящимися в погруженном состоянии) применимы только длинные и сверхдлинные волны.
2.2. Отражение плоских радиоволн на границе воздух — гладкая поверхность Земли
Электромагнитная волна, падая на гладкую границу раздела двух сред (рис.2.1), 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 относительно поверхности Земли различают два вида поляризации — вертикальную и горизонтальную. При вертикальной поляризации вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости падения волны, т. е. в плоскости, перпендикулярной к плоскости раздела и проходящей через направление распространения падающей волны (рис.2.1,a). При горизонтальной
Рис. 2.1. К определению коэффициента отражения
поляризации вектор напряженности электрического поля параллелен плоскости раздела (рис 2.1,б) [2].
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 полупроводник, значения коэффициентов Гв и Гг рассчитывают по формулам [2]:
(2.7)
, (2.8)
где θпад—угол падения волны на границу раздела сред; Ф — его фаза.
В некоторых случаях нужно знать напряженность поля или мощность волны, проходящей во вторую среду. Для этого используется понятие коэффициента прохождения F: [2]. Коэффициент прохождения можно выразить через коэффициент отражения Г. При вертикальной поляризации
при горизонтальной поляризации
2.3. Отражение радиоволн от шероховатой поверхности
Естественные земные покровы редко представляют собой совершенно ровную поверхность. Наибольшее влияние оказывают неровности при отражении ультракоротких и особенно сантиметровых и миллиметровых радиоволн. Поэтому на практике важно уметь определить характеристики поля, отраженного от неровных поверхностей. В отличие от гладкой 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 [3-6].
Поверхность можно считать ровной, если максимальная высота неровностей hн (рис.2.2,а) удовлетворяет следующему неравенству, называемому критерием Рэлея:
. (2.9)
На формирование отраженной волны основное влияние оказывает участок поверхности, ограниченный 1-й зоной Френеля. При нормальном падении волны на поверхность 1-я зона Френеля представляет собой окружность радиусом (см. (1.5)), при наклонном — эллипс, большая ось которого вытянута в направлении распространения волны. Размеры малой и большой полуосей эллипса 1-й зоны Френеля соответственно равны:
(2.10)
где и — расстояния от концов трассы до точки геометрического отражения; — угол падения волны (рис.2.2,б).
Рис. 2.2. Расстояние радиоволн на неровностях
земной поверхности
Рис 2.3. Расстояние прямой видимости
без учёта и с учётом рефракции
2.4. Классификация случаев распространения земных радиоволн
При расчете напряженности поля земных радиоволн атмосферу принимают за среду без потерь с ε=1, а необходимые поправки, учитывающие влияние атмосферы, вводят дополнительно.
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.
В первом случае, типичном для ультракоротких и частично коротких радиоволн, метод расчета напряженности поля зависит от протяженности радиолинии по сравнению с расстоянием «прямой видимости» (рис.2.3), вычисляемым по формуле
(2.11)
где = 6,37106 м — радиус Земли; и — высоты подъема антенн, м.
При протяженности радиолинии < <0,2 земную поверхность можно считать плоской, при 0,2 < <0,8 вносятся поправки на сферичность земной поверхности, при > 0,8 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, 200-20000 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 напряженности поля ведется с учетом дифракции.
2.5. Поле излучателя, поднятого над плоской земной поверхностью
В этом случае волна достигает земной поверхности на значительном (в масштабе длины волны) расстоянии от излучателя и участок фронта волны вблизи земной поверхности можно считать плоским. На радиолинии малой протяженности < 0,2 o поле в месте приема является результатом интерференции полей прямой волны и волны, отраженной от плоской земной поверхности (рис.2.4), 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
, (2.12)
где определяется из (1.1),
Углы θ1 и θ2 обозначены на рис. 2.4. Корень из трехчлена в этой формуле называют интерференционным множителем.
Коэффициент отражения от земной поверхности Гв.г определяют для соответствующей поляризации по формулам (2.7),(2.8). Для слабо направленных антенн из-за того, что в широком интервале углов D(θ2)/D(θ1) 1, интерференционная формула упрощается:
(2.13)
Присутствие земной поверхности изменяет распределение поля излучателя в вертикальной плоскости. Диаграмма направленности системы излучатель — Земля изрезана многими лепестками, а диаграмма направленности самого излучателя F(θ) представляет огибающую этих лепестков. На рис.2.5 представлены результирующие диаграммы направленности систем вертикальный вибратор — Земля (а) и горизонтальный вибратор — Земля (б), когда излучатель поднят на высоту над почвой, принимаемой за идеальный диэлектрик.
Для практически важного случая распространения радиоволн скользящими лучами (θ стремится к 900 ) формула (2.12) может быть подвергнута дальнейшему упрощению. Учитывая, что при этом |Гв.г| 1, Фв.г (рис. 2.1), напряженность поля Em (В/м) в зависимости от
Рис. 2.4. Распространение волн при поднятых антеннах
Рис. 2.5. Диаграммы направленности антенн, поднятых над поверхностью Земли
расстояния r (м), длины волны (м), высоты расположения антенн , (м) и мощности Р (Вт) определяют по формуле предложенной Б.А. Введенским:
(2.14)
Если
то расчет по приведенной формуле дает хорошее совпадение с результатами измерения.
2.6. Поле излучателя, расположенного вблизи плоской земной
поверхности
Действие на вертикальный вибратор идеально проводящей поверхности можно заменить действием фиктивного вибратора той же длины, расположенного симметрично основному вибратору относительно поверхности (рис. 2.6). Тогда электрическое поле в дальней зоне непосредственно на поверхности определяется формулой
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.