где  – действующая длина реального вибратора.

     Диаграмма направленности такой антенны имеет максимум излучения вдоль поверхности. Согласно граничным условиям вектор  направлен нормально к поверхно­сти, а следовательно, вектор распространения энергии направлен параллельно поверх­ности. Условия, близкие к рассмотренным наблюдаются на практике при распространении длинных волн над морской  поверхно­стью.

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 (рис. 2.6,б), не является идеальным проводни­ком, то часть энергии радиоволн, распро­страняющихся от антенны, проникает в глубь земной поверхности. Следовательно, помимо составляющей П1г, направленной вдоль поверхности, имеется составляющая  П1в, направленная перпендикулярно к зем­ной поверхности, в результате чего суммар­ный вектор П1 направлен не параллельно земной поверхности, а следовательно, и век­тор напряженности электрического поля 1     направлен к земной поверхности под углом, не равным 90°, и помимо вертикальной со­ставляющей напряженности электрического поля  имеется горизонтальная составля­ющая Е1г. На основании приближенных

граничных условий Леонтовича — Щукина (устанавливает связь между векторами  и  электромагнитного поля первой среды на поверхности хорошо проводящей второй среды , где  - комплексное волновое сопротивление второй среды) получают соотношение между вертикальной и горизонтальной составляющими комплексных амплитуд напряженности элек­трического поля вблизи земной поверхности:

     Составляющие  и   поля сдвинуты по фазе, вследствие чего оно имеет эллип­тическую  поляризацию.  Строгие граничные условия   дают связь   между   комплексными амплитудами составляющих поля в воздухе и в земле:

     Однородная трасса. Для расчета Em1в непосредственно у поверхности, когда излучателем является вибратор, располо­женный вблизи полупроводящей поверхно­сти, применяют формулу, выведенную одновре­менно М.В. Шулейкиным и Б. Ван-дер-Полем:

Рис. 2.6. Структура поля вертикального вибратора,

расположенного вблизи поверхности: а – идеально проводящей; б - полупроводящей

Рис. 2.7. К расчёту дифракции радиоволн – схема

распространения волны над сферической поверхностью земного шара

                                                     (2.15)

где  определяется по (1.1);  |W| - множитель ослабления, являющийся функцией параметра,

                                         (2.16)

Для значений   > 25

                                                |W|  1/.                                                       (2.17)

     Неоднородная трасса. Напряженность поля над неоднородной трассой, состоящей из двух участков, электрические параметры которых резко отличаются, например при переходе с моря на сушу, определяется по (2.15), где множитель ослабления |W| подсчитывается как среднее геометрическое множителей    ослабления    двух    фиктивных однородных трасс:  где  и  - множители ослабления, вычисленные по (2.16) и (2.17) для трассы протяженностью ( + ) с параметрами  и  и  и . При вычислении  берут­ся параметры  и  ,  при вычислении  —параметры  и .

    Береговая рефракция. Фазовая ско­рость радиоволны, распространяющейся вблизи земной поверхности, зависит от ее
электрических параметров. При переходе радиоволны с моря на сушу (вблизи бере­говой линии) происходит изменение направ­ления распространения волны, называемое береговой рефракцией. Это созда­ет ошибку в определении направления при­хода радиоволн, что существенно для работы радионавигационных систем.

   2.7. Дифракция  радиоволн  вокруг сферической земной     поверхности

     Огибание радиоволнами препятствий, встречающихся па пути их распространения, называется дифракцией. Когда протя­женность радиолинии и высота расположе­ния антенн таковы, что область, существен­ная при распространении радиоволн (1-я зо­на Френеля), частично или полностью пере­крывается выпуклостью земной поверхности, то незакрытая часть 1-й зоны Френеля или зон следующих номеров, представляющих совокупность источников сферических волн, создают излучение не только в направлении первоначального движения волны, но и за выпуклостью  земной   поверхности.

Расстояния, близкие к пределу прямой видимости, когда 1-я зона Френеля закрыта только частично, называются областью полутени (рис. 2.7). Расстояния, при которых 1-я зона Френеля перекрыта пол­ностью,    называется  областью  тени.

В области тени расчет напряженности поля Еm (мВ/м) ведется по формуле предло­женной В.А. Фоком:

                                              (2.18)

где  Еm св определяется по формуле (1.1);  G — множитель ослабления, являющийся произведением трех функций,  G = U(x)V()V (), где U(x) — функция расстояния от пе­редатчика, r (м); V() V() —функции вы­соты подъема антенн передающей  и приемной , или, если функции выразить в де­цибелах, то G (дБ) равно

     Для определения функций U(x) и V(y) используются графики, имеющиеся в литературе.

    Расчет по этим графикам проводится главным образом для диапазона УКВ, где применяют антенны, высоко поднятые над земной поверхностью. Расчет напряженно­сти поля в диапазонах длинных, средних и даже коротких волн, когда антенны распо­лагают вблизи поверхности Земли, упроща­ется, поскольку  V() = V() = 1.

     2.8. Вопросы для самопроверки

     1. Записать выражение для определения тангенса угла потерь, дать необходимые пояснения.

     2. В каком диапазоне радиоволн плотность потоков смещения в  земной поверхности преобладает над плотностью токов проводимости ?

     3. При каких токах проводимости и  смещениях определяется граничная длина волны ?

     4. Указать особенности параметров радиоволн в полупроводящей среде.

     5. Пояснить, почему для осуществления радиосвязи с подводными лодками, находящимися в погруженном состоянии, применимы только длинные и сверхдлинные волны ?

     6. Какие коэффициенты определяют интенсивность отраженной и преломленной волн? Для каких видов поляризации эти коэффициенты определяются ?

     7. Поясните особенности отражения радиоволн от шероховатой поверхности.

     8. При каком условии шероховатую поверхность можно считать ровной ?

     9. Приведите классификацию случаев распространения земных радиоволн и поясните ее.

     10. Запишите интерференционную формулу и назовите условия ее применимости.

11. Запишите формулу Введенского. При каких условиях можно вести расчет напряженности поля по этой формуле.

12. Поясните особенности поля излучателя, расположенного вблизи плоской земной поверхности.

13. Какие составляющие имеет поле вертикального вибратора, расположенного вблизи полупроводящей поверхности земли ?

14. Запишите и поясните формулу Шулейкина-Ван-дер-Поля.

15. Укажите особенности расчета напряженности поля над неоднородной трассой, когда излучатель расположен вблизи плоской земной поверхности.

16. В каком диапазоне волн существенно сказываются ошибки в определении координат излучателя, вызванные береговой рефракцией ?

17. Каким образом учитывается дифракция радиоволн вокруг сферической земной поверхности при расчете напряженности поля ?

3.  ТРОПОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА       РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

     3.1.Состав и строение тропосферы

     Тропосфера — это ближайший к земной поверхности слой атмосферы, простираю­щийся до высоты 8—10 км в полярных ши­ротах и до 16—18 км в тропиках. В тропо­сфере содержится до 4/5 массы газов, составляющих атмосферу, и почти все коли­чество водяных паров.

    В электрическом отношении тропосфера представляет собой весьма неоднородную среду, вследствие чего в ней происходит искривление траекторий радиоволн, а сле­довательно, изменение направления прихо­да волны и напряженности поля на данном расстоянии.

    Чтобы учесть влияние тропосферы на распространение радиоволн, необходимо знать закономерности изменения  и , ко­торые определяются физико-химическими свойствами входящих в тропосферу газов. Относительный газовый состав тропосферы остается постоянным по всей высоте, изме­няется лишь содержание водяных паров, ко­торое зависит от метеорологических усло­вий и убывает с высотой.

    Нормальной тропосферой на­зывают такую гипотетическую тропосферу, свойства которой отображают среднее со­стояние реальной тропосферы. Нормальную тропосферу характеризуют следующими свойствами: давлением у поверхности Земли (р = 0,1013 МПа), температурой (T = 288 К) и относительной влажностью (S = 60%). С увеличением высоты на каждые 100 м давление уменьшается на 1,2 кПа, темпера­тура — на 0,55 К. Границей нормальной тропосферы считают высоту 11 км.

3.2 Диэлектрическая    проницаемость и по­казатель преломления тропосферы

    Относительная диэлектрическая прони­цаемость тропосферы (воздуха) только приближенно может считаться равной еди­нице. В действительности значение  не­сколько больше единицы и зависит от дав­ления р (Па) температуры Т (К) и абсо­лютной влажности воздуха е (Па)

                           (3.1)                   

     Второе слагаемое  в   (3.1)     выражает       изменение  из-за  смещения электрических зарядов в неполярных молекулах газов, входящих в состав воздуха, под влиянием внешнего поля и ориентации полярных мо­лекул водяного пара.

     Коэффициент преломления  тропосферы

и связан с величиной  тропосферы выра­жением   

                                                                                                                                        (3.2)                                            

     У поверхности Земли значение n  в за­висимости от климатических условий равно 1,00026—1,00046. Для расчетов удобнее пользоваться величиной, называемой приведенным  показателем  прелом­ления  тропосферы,  N=(n—l)106, для Земли  N = 260  460.

     Для нормальной тропосферы изменение  с высотой над земной поверхностью h  (м) подчиняется экспоненциальному за­кону

,

где з = 5,78 — отклонение  от еди­ницы у земной поверхности;  — вертикальный градиент  при h = 0.

     Экспоненциальная зависимость  от вы­соты наблюдается при усреднении значи­тельного числа наблюдений, тогда как еди­ничные конкретные кривые   в той или иной мере отклоняются от этого закона. Особен­но велики отклонения в летний период на высотах до 2—3 км, где наблюдаются ин­тенсивные облачные слои, частые инверсии температуры и влажности. Практически всегда возникают сравнительно небольшие флуктуации  относительно экспоненциаль­ной зависимости, вызванные турбулентным движением воздуха.

     Эти флуктуации рассматриваются как неоднородности тропосферы. Размеры мел­ких неоднородностей определяются несколь­кими метрами или несколькими десятками метров, а отклонение от среднего значения  N  составляет DN = l2. Мелкие неоднород­ности непрерывно изменяются, появляясь и исчезая. Средние значения  N  претерпевают сезонные и суточные изменения, причем эти изменения максимальны у земной поверхно­сти и падают почти до нуля на высотах 7— 8 км. Максимальные значения  N  у земной поверхности наблюдаются в июле, мини­мальные — в январе.

     Сезонному ходу приземных значений N сопутствуют соответствующие изменения  g. Значения градиентов  g  и их изменения осо­бенно велики в приземном слое и умень­шаются с высотой. Значения  и  g  зависят от географического положения трассы и ме­няются вдоль самой трассы.

     В приземном слое воздуха для упроще­ния расчетов возможно аппроксимировать экспоненциальный закон изменения  с вы­сотой —-линейным

Вводится эффективный вертикальный градиент ди­электрической проницаемости тро­посферы  , представляющий такой постоянный по высоте градиент  , при ко­тором напряженность поля в точке приема будет такой же, как и в случае реального изменения   на трассе.

    Среднее значение градиента  по­лучают в результате статистической обра­ботки большого числа измерений. Значения  подчиняются нормальному закону рас­пределения со среднеквадратичным откло­нением  . Средние значения (1/м) и среднеквадратичные отклонения (1/м)  для    различных    климатических    районов в летнее время, когда эти значения максимальны, изменяются в следующих пределах  от   до    от  до 11 .  Имеются карты  с  изолиниями  среднемесячных значений   приведенного   коэффициента   преломления   на   уровне  моря.

     Диэлектрическую проницаемость тропо­сферы можно определить, измеряя темпера­туру, давление и влажность воздуха при помощи приборов, устанавливаемых  на самолетах или шарах-зондах.

     3.3. Рефракция радиоволн в тропосфере

     Рефракцией называется искривле­ние траектории радиоволны при распрост­ранении ее в неоднородной среде. Явление рефракции в тропосфере объясняется изме­нением диэлектрической проницаемости  и соответственно показателя преломления n с высотой.

    Радиус кривизны траектории радиовол­ны в тропосфере (при пренебрежении кри­визной земной поверхности) может быть определен по формуле:

где  —  угол падения волны на преломляю­щую границу раздела;

dn/dh - градиент показателя преломления.

     Знак минус у градиента показателя преломления означает, что радиус кривизны положителен, а траектория волны обращена выпуклостью вверх при уменьшении пока­зателя преломления с высотой.

     Учитывая, что  n  l, а для наиболее интересного случая пологих лучей sin   1, имеем:

                                                                          (3.3)          

    Из (3.3) следует, что радиус кривиз­ны траектории радиоволны в тропосфере определяется не абсолютным значением ко­эффициента преломления, а скоростью его изменения с высотой

.

     При распространении в нормальной тропосфере,  характеризующейся  постоянством градиента индекса преломления, траек­тории радиоволн, идущих под небольшими углами к земной поверхности, имеют форму дуг окружности с радиусом R = 25 000 км.

    Рефракция, происходящая в нормаль­ной тропосфере, называется нормальной   тропосферной   рефракцией.

    Учет влияния тропосферной рефракции при линейной зависимости показателя N от высоты производится упрощенно, с помо­щью эквивалентного радиуса Земли Rэ. Предположим, что радиоволны, испыты­вающие рефракцию, распространяются не по криволинейным траекториям в неодно­родной среде, как в действительных усло­виях, а по прямолинейным траекториям в однородной среде над некоторой воображаемой поверхностью, радиус кривизны которой Rэ не равен радиусу Земли:    Rо= 6370 км (рис. 3.1).  

    Кроме того, предполагается, что в реальном и эквивалентном случаях траекто­рии радиоволн проходят на одной и той же высоте над поверхностью при равных рас­стояниях от излучателя. Тогда эквивалент­ный радиус земного шара определяется вы­ражением

                    .                                    (3.4)                     

    Для   нормальной   рефракции  dN/dh  -40 1/км и Rэ = 8500 км.

 Основные  случаи   применения   понятия эквивалентного радиуса Земли следующие.

Расстояние прямой видимости с учетом рефракции определяется по формуле

                (3.5)             

       В условиях нормальной рефракции

где — расстояние в метрах;   — вы­сота антенны в метрах.

При нормальной рефракции расстояние прямой видимости возрастает на  15%.

     Под влиянием различных метеорологи­ческих условий в тропосфере может возникнуть изменение показателя преломления с высотой, значительно отличающееся от условий, определяющих возникновение нор­мальной рефракции. В соответствии с этим рефракция может быть отрицательной, от­сутствовать или быть положительной (рис. 3.2).

     При отрицательной рефракции N не уменьшается, как обычно, с высотой, а, наоборот, возрастает, т. е. dN/dh>0. При этом R<0 и траектория радиоволны обращена выпуклостью вниз — радиоволна удаляется от поверхности Земли.

     Если N при изменении высоты остает­ся  постоянным, то рефракция  отсутствует.

     На практике наиболее часто встречают­ся случаи, когда N с высотой умень­шается, т. е. dN/dh<0. Траектория радио­волны в этом случае обращена выпукло­стью вверх, наблюдается положительная рефракция. Положительная рефракция под­разделяется на  пониженную  (радиус кривизны траектории радиоволны больше, чем при нормальной рефракции),  нор­мальную,  повышенную  (радиус кривизны траектории радиоволны меньше, чем при нормальной рефракции), крити­ческую (радиус кривизны траектории радиоволны равен радиусу земного шара) и  сверхрефракцию  (радиус кривизны траектории радиоволны меньше радиуса земного шара).

Рис. 3.1. К определению эквивалентного радиуса

Земли

а – траектория волны в реальных условиях; б – распространение радиоволны по прямолинейной траектории вблизи Земли с эквивалентным радиусом Rэ

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7