1 Приближенные граничные условия Леонтовича.
2 Идеальные и реальные радиолинии. Распространение земной радиоволны. Расчет радиолинии.
При расчете радиолинии требуется найти соотношение выходной мощности передатчика и входной мощности приемника.
Это соотношение можно описать с помощью формулы идеальной радиосвязи:
Pпр= Рпрд* Dпрд *Dпр* l2/(4*p*r2),
где Pпр- действующая мощность, поступающая на вход приемника;
Pпрд - действующая мощность, развиваемая передатчиком на зажимах антенны;
Dпрд - коэфициент направленного действия (КНД) передающей антенны;
Dпр - коэфициент направленного действия (КНД) приемной антенны;
l - длина волны;
p - ; r - расстояние между приемником и передатчиком.
Эта формула достаточно точно описывает энергетические соотношения в радиоканале при отсутствии потерь за счет среды распространения.
Для учета влияния среды распространения (атмосфера земли), в формулу радиосвязи вводят множитель ослабления (Fсреды ): Fсреды=10-r*D/10 , где
D - погонное затухание волны в атмосфере.
Тогда формула радиосвязи приобретает вид:
Pпр= Рпрд* Dпрд *Dпр* Fсреды *l2/(4*p*r2) Для сантиметровых волн типичным значением затухания в дожде средней интенсивности D=0,3 дБ/км. Тогда Fсреды= 0,5 для расстояния 10 км. Оценивая реальное качество работы радиоканала, слудет иметь в виду, что на входе приемника всегда есть шум, складывающийся из шума окружающей среды и внутренних шумов приемника. Для надежного функционирования системы надо иметь запас по мощности, т.е. превышение уровня принятого сигнала над чувствительностью приемника. Коэффициент запаса (М ):
М= Pпр/ Pпр мин., где Pпр мин =К *Т* DF* (E/No)треб - чувствительность приемной системы:
К - постоянная Больцмана; Т - шумовая температура приемной системы с учетом шумовой характеристики окружающей среды; DF - полоса пропускания приемника до детектора; (E/No)треб - отношение энергии сигнала к спектральной плотности шума
Билет 26
Направленные электромагнитные волны. Волны между двумя проводящими плоскостями
Особенности ионосферы Распространение ионосферной волны
Распространение радиоволн в ионосфере. В ионосфере (См. Ионосфера) — многокомпонентной плазме (См. Плазма), находящейся в магнитном поле Земли, механизм Р. р. сложнее, чем в тропосфере. Под действием радиоволны в ионосфере могут возникать как вынужденные колебания электронов и ионов, так и различные виды коллективных собственных колебаний (плазменные колебания). В зависимости от частоты радиоволны ω основную роль играют те или другие из них и поэтому электрические свойства ионосферы различны для различных диапазонов радиоволн. При высокой частоте ω в Р. р. принимают участие только электроны, собственная частота колебаний которых (Ленгмюровская частота) равна:
где е — заряд, m — масса, N — концентрация электронов. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы, в отличие от электронов тропосферы, тесно связанных с атомами, отстают от электрического поля высокочастотной волны по фазе почти на 2π. Такое смещение электронов усиливает поле Е волны в ионосфере (рис. 11). Поэтому диэлектрическая проницаемость ε, равная отношению напряжённости внешнего поля к напряжённости поля внутри среды, оказывается для ионосферы < 1 : ε = 1 — ω20/ω2. Учёт столкновений электронов с атомами и ионами даёт более точные формулы для ε и σ ионосферы:
где ν — число столкновений в секунду.
Для высоких частот, начиная с коротких волн, в большей части ионосферы справедливо соотношение: ω2 >> ν2 и показатели преломления n и поглощения χ равны:
С увеличением частоты χ уменьшается, а n растет, приближаясь к 1. Т. к. n < 1, фазовая скорость распространения волны с․n и в соответствии с относительности теорией (См. Относительности теория) меньше с.
Отражение радиоволн. Для волны, у которой ω < ω0n и υ становятся мнимыми величинами, это означает, что такая волна не может распространяться в ионосфере. Поскольку концентрация электронов N и плазменная частота ω0 в ионосфере увеличиваются с высотой (рис. 12), то падающая волна, проникая в ионосферу, распространяется до такого уровня, при котором показатель преломления обращается в нуль. На этой высоте происходит полное отражение волны от слоя ионосферы. С увеличением частоты падающая волна всё глубже проникает в слой ионосферы. Максимальная частота волны, которая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, называется критической частотой слоя:
Критическая частота слоя F2 (главный максимум, рис. 12) изменяется в течение суток и от года к году приблизительно от 5 до 10 Мгц. Для волн с частотой ω > ωкр n всюду > 0, т. е. волна проходит через слой, не отражаясь.
При наклонном падении волны на ионосферу максимальная частота волны, возвращающейся на Землю, оказывается выше ωкр. Радиоволна, падающая на ионосферу под углом φ0, испытывая рефракцию, поворачивается к Земле на той высоте, где φ(z) = π/2. Условие отражения при наклонном падении имеет вид: n (z) = sinφ0. Частоты волн, отражающихся от данной высоты при наклонном и вертикальном падении, связаны соотношением: ωнакл = ωверт secφ0. Максимальная частота волны, отражающейся от ионосферы при данном угле падения, т. е. для данной длины трассы, называется максимальной применимой частотой (МПЧ).
Двойное лучепреломление. Существенное влияние на Р. р. оказывает магнитное поле Земли H0 = 0,5 э, пронизывающее ионосферу. В постоянном магнитном поле ионизированный газ становится анизотропной средой. Попадающая в ионосферу волна испытывает Двойное лучепреломление, т. е. расщепляется на 2 волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. В магнитном поле H0 на электрон, движущийся со скоростью υ, действует Лоренца сила , под действием которой электрон вращается с частотой
В простейшем случае, когда направление Р. р. перпендикулярно H0 (Е лежит в одной плоскости с H0), волну можно представить в виде суммы 2 волн с Е ⊥ Н0 и Е || Н0. Для первой волны (необыкновенной) характер движения электронов и, следовательно, n изменяются, для второй (обыкновенной) они остаются такими же, как и в отсутствии магнитного поля:
В случае произвольного направления Р. р. относительно магнитного поля Земли формулы более сложные: как n1, так и n2 зависят от ωH. Поскольку отражение радиоволны происходит от слоя, где n = 0, то обыкновенная и необыкновенная волны отражаются на разной высоте. Критические частоты для них также различны.
По мере Р. р. в ионосфере из-за различия в скорости накапливается сдвиг фаз между волнами, вследствие чего поляризация результирующей волны непрерывно изменяется. Линейная поляризация падающей волны в определённых условиях сохраняется, но плоскость поляризации при распространении поворачивается (см. Вращение плоскости поляризации). В общем случае поляризация обеих волн эллиптическая.
Рассеяние радиоволн. Помимо регулярной зависимости электронной концентрации N от высоты (рис. 12), в ионосфере постоянно происходят случайные изменения концентрации. Ионосферный слой содержит большое число неоднородных образований различного размера, которые находятся в постоянном движении и изменении, рассасываясь и возникая вновь. Вследствие этого в точку приёма, кроме основного отражённого сигнала, приходит множество рассеянных волн (рис. 13), сложение которых приводит к замираниям — хаотическим изменениям сигнала.
Существование неоднородных образований приводит к возможности рассеянного отражения радиоволн при частотах, значительно превышающих максимальные частоты отражения от регулярной ионосферы. Аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы это явление обусловливает дальнее Р. р. (метрового диапазона).
Характерные неоднородные образования возникают в ионосфере при вторжении в неё метеоритов (См. Метеориты). Испускаемые раскалённым метеоритом электроны ионизируют окружающую среду, образуя за летящим метеоритом след, диаметр которого вследствие молекулярной диффузии быстро возрастает. Ионизированные следы создаются в интервале высот 80—120 км, длительность их существования колеблется от 0,1 до 100 сек. Радиоволны зеркально отражаются от метеорного следа. Эффективность этого процесса зависит от массы метеорита.
Нелинейные эффекты. Для сигналов не очень большой мощности две радиоволны распространяются через одну и ту же область ионосферы независимо друг от друга (см. Суперпозиции принцип), ионосфера является линейной средой. Для мощных радиоволн, когда поле Е волны сравнимо с характерным «плазменным полем» Ep ионосферы, ε и σ начинают зависеть от напряжённости поля распространяющейся волны. Нарушается линейная связь между электрическим током и полем Е.
Нелинейность ионосферы может проявляться в виде перекрёстной модуляции 2 сигналов (Люксембург — Горьковский эффект (См. Люксембург-Горьковский эффект)) и в «самовоздействии» мощной волны, например в изменении глубины модуляции сигнала, отражённого от ионосферы.
Особенности распространения радиоволн различного диапазона в ионосфере. Начиная с УКВ волны, частота которых выше максимально применимой частоты (МПЧ), проходят через ионосферу. Волны, частота которых ниже МПЧ, отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю. Такие радиоволны называются ионосферными, используются для дальней радиосвязи на Земле. Диапазон ионосферных волн снизу по частоте ограничен поглощением. Поэтому связь при помощи ионосферных волн осуществляется в диапазоне коротких волн и в ночные часы (уменьшается поглощение) в диапазоне средних волн. Дальность Р. р. при одном отражении от ионосферы Распространение радиоволн 3500—4000 км, т.к. угол падения φ на ионосферу из-за выпуклости Земли ограничен: наиболее пологий луч касается поверхности Земли (рис. 14). Связь на большие расстояния осуществляется за счёт нескольких отражений от ионосферы (рис. 15).
Длинные и сверхдлинные волны практически не проникают в ионосферу, отражаясь от её нижней границы, которая является как бы стенкой сферического радиоволновода (второй стенкой волновода служит Земля). Волны, излучаемые антенной в некоторой точке Земли, огибают её по всем направлениям, сходятся на противоположной стороне. Сложение волн вызывает некоторое увеличение напряжённости поля в противолежащей точке (эффект антипода, рис. 16).
Радиоволны звуковых частот могут просачиваться через ионосферу вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Распространяясь вдоль магнитной силовой линии, волна уходит на расстояние, равное нескольким земным радиусам, и затем возвращается в сопряжённую точку, расположенную в др. полушарии (рис. 17). Разряды молний в тропосфере являются источником таких волн. Распространяясь описанным способом, они создают на входе приёмника сигнал с характерным свистом (свистящие Атмосферики).
Для радиоволн инфразвуковых частот, частота которых меньше гироскопической частоты ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая нейтральная жидкость, движение которой описывается уравнениями гидродинамики (См. Гидродинамика). Благодаря наличию магнитного поля Земли любое смещение проводящего вещества, создающее электрический ток, сопровождается возникновением сил Лоренца, изменяющих состояние движения. Взаимодействие между механическими и электромагнитными силами приводит к перемещению случайно возникшего движения в ионизированном газе вдоль магнитных силовых линий, т. е. к появлению магнито-гидродинамических (альфвеновских) волн, которые распространяются вдоль магнитных силовых линий со скоростью 4 м/сек (ρ — плотность ионизированного газа).