Отражение радиоволн в тропосфере

Вызываются отдельными электрическими неоднородностями, которые представляют собой области со значениями n отличными от коэффициента преломления окружающего воздуха на величину n=10^-4^.

Причинами переизлучения электромагнитной энергии является рассеяние на объемных турбулентных неоднородностях, некогерентное отражение от слоистых неоднородностей и когерентное отражение от толщи атмосферы.

В результате облучения неоднородности становятся источником вторичного излучения. Суммарное вторичное поле является результатом интерференции. Интенсивность в некотором направлении зависит от угла рассеяния  между этим направлением и направлением падающей волны.

На границах протяженных горизонтальных слоев имеет место резкий скачок диэлектрической проницаемости, что обуславливает частичное отражение радиоволн на границе раздела. Случайный характер образования и изменения турбулентных слоев обуславливает некогерентость сложения волн переизлученных неоднородностями.

К оэффициент отражения от всей толщи обусловлен плавной зависимостью . Пользуясь сферически слоистой моделью можно пояснить с помощью рисунка. Отражение имеет когерентный характер, так как амплитуда и фаза являются детерминированными величинами. Турбулентность в атмосфере возникает в результате перемещения больших масс воздуха из-за неравномерного нагрева солнцем земной поверхности. Неравномерность в распределении давления в различных областях земной атмосферы является причиной движения воздушных масс. Благодаря неровностям земной поверхности и ее нагреву воздух при своем движении перемешивается, что и приводит к турбулентности.

Поглощение и рассеяние радиволн

Р ассмотрим ослабление радио сигнала в регулярной (без атмосферных образований) тропосфере. Электромагнитные волны длиной меньше 3 см в такой тропосфере испытывают поглощение. Агентами, поглощающими энергию радиоволны, являются кислород, водяной пар, озон и углекислый газ. Остальные газы (СО, NO, NО₂, N₂O) энергию радиоволн практически не поглощают. На рисунке приведены графики зависимости коэффициентов поглощения и для диапазона =30 см...1 мм в чистой атмосфере на уровне Земли при t=20°С, р=760 мм рт.ст., абсолютной влажности р_в==7,5 г/м³. Из графиков видно, что в рассматриваемом диапазоне волн есть два максимума поглощения в кислороде (при =5,0 мм и =2,5 мм) и два пика поглощения в парах воды (при =1,35 мм и =15,2 мм). На боле коротких волнах (<2 мм) поглощение определяется главным образом парами воды.

Коэффициент поглощения в кислороде зависит от концентрации частиц в единице объема N₁, абсолютной температуры Т и ширины линии поглощения .

Вызывается гидрометеорами (дождем, снегом, туманом, градом), а также водяными парами и газами. Водяные пары и газы вызывают заметное поглощение лишь на волнах короче 3 см. На более длинных волнах оно меньше 0, 013 дБ/км.

Практически заметные потери энергии обусловленные поглощением и рассеянием радиоволн гидрометеорами, наблюдается на волнах короче 5 см. Так при слабом дожде 1 мм/ч поглощения на волне 3 см составляет 0,03 дБ/км, а при ливнях 100 м/ч возрастает до 3 дБ/км. На волнах длиннее 5 см при тех интенсивностях, которые обычно наблюдается в умеренных широтах поглощение в гидрометеорах не наблюдается.

Физический смысл ослабления в гидрометеорах: при прохождении радиоволн в каждой капле наводятся токи смещения (токи поляризации),они обуславливают тепловые потери и являются источником вторичного излучения, в результате чего уменьшается доля энергии распределенной в необходимом направлении,

Поглощение в газах тропосферы вызывается кислородом и водяным паром.

Нерезонансное поглощение связано с затратами энергии на преодолении взаимного трения молекул воды и кислорода, обладающих электрическими и магнитными моментами. Резонансное поглощение происходит в результате затрат энергии на переходы молекул в более высокое энергетическое состояние. В результате спонтанных обратных переходов молекул и атомов в более низкие энергетические состояния запасенная энергия излучается, создавая шум атмосферы.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН НА РРЛ ПРЯМОЙ

ВИДИМОСТИ

Влияние тропосферы заключается в рефракции радиоволн, их отражении от слоистых неоднородностей и поглощении в дождях.

Близость земной поверхности служит причиной отражения, интерференции и дифракции. Дифракция радиоволн проявляется в виде огибания возвышенностей земли.

РЕФРАКЦИЯ РАДИОВОЛН

Вблизи поверхности Земли изменение диэлектрической проницаемости с высотой достаточно хорошо апроксимируется линейной зависимостью. В приземленном слое вертикальный градиент в среднем не меняется с высотой

g(h)=g .

Упрощенное выражение для радиуса кривизны траектории волны:

.

При распространении вдоль земли (угол на высоте h_F)

.

То есть траектория волны является дугой окружности, и зависит только от вертикального градиента.

Для приближенного учета влияния рефракции радиоволн на работу РРЛ вводят понятие эквивалентного радиуса Земли R_э. При этом получат, что зависимость h) линейна, и в качестве g используется эффективный вертикальный градиент диэлектрической проницаемости воздуха. Под эффективным градиентом понимают постоянный в пространстве градиент,  при котором напряженность поля в точке приема такая же, как при реальном изменении  с высотой вдоль трассы РРЛ.

Введение R_э позволяет перейти от реальной криволинейной траектории волны над поверхностью Земли с радиусом R=6370 км к прямолинейной траектории над некоторой воображаемой земной эквивалентной поверхностью с радиусом R_э.

Переход можно сделать при условии сохранения неизменной разности кривизны траектории волны и поверхности Земли.

Отсюда

На практике часто используют понятие коэффициента рефракции

В зависимости от значения g различают два вида тропосферной рефракции

Отрицательную рефракцию или субрефракцию при которой g>0, p<0, R_Э<R, 0<К_э<1 и траектория волны обращена выпуклостью вниз.

Положительная рефракция - рефракция при которой g<0, p>0 и траектория волны обра­щена выпуклостью вверх.

Частными случаями положительной реф­ракции являются:

Нормальная рефракция: g=-8-10^-8 1 /м =25000км К_э=4/3

Критическая рефракция: g=-2/R=-31.4·10^-8 1/м p=R=6370 kм R_Э= ∞ К_Э= ∞

Сверхрефракция: g<31,4·10^-81/м p<R R_Э<0 К_Э<0

При сверхрефракции радиоволна испытыва­ет в нижних слоях тропосферы полное внутреннее отражение. В этом случае говорят о волноводном распространении.

В приближении геометрической оп­тики волноводный характер распространения радиолокационного сигнала в приводном (приземном) волноводе можно трактовать как последовательное преломление (сверхрефракция) лучей в верхней части волновода с отражением их от водной (земной) по­верхности в его нижней части вследствие большей диэлектриче­ской проницаемости воды (земли) по сравнению с тропосферой (рис. 1.4). В общем случае волноводный характер распростране­ния радиоволн в тропосфере возможен при условии, что диэлектрическая проницаемость в некотором ее слое убывает с высотой значительно быстрее, чем в прилегающих к нему областях тропо­сферы. Отметим, что кроме приводных (приземных) волноводов в тропосфере могут быть приподнятые волноводы.

Несмотря на значи­тельное увеличение дальности, это явление не используется для организации радиосвязи из-за малой вероятности появления тропосферных волноводов. Однако оно должно учитываться при анализе электромагнитной совместимости РЭ работающих в одном диапазоне частот.

ВЛИЯНИЕ ОТРАЖЕНИЯ РАДИОВОЛН ОТ ГЛАДКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

Р ассмотрим, как распространяются радиоволны над гладкой поверхностью Земли, когда длина пролета r РРЛ не превышает расстояния прямой видимости r₀,

,

где

.

Учитывая h_А, h_B<<R и полагая R_э=8500 км для стандартной (или нормальной) рефракции

.

В предположении r<r₀ найдем мощность ослабления при интерференции радиоволн прямой и отраженной. Для коротких пролетов r<0,2r₀ можно пренебречь сферичностью Земли. Пусть передающая антенна с коэффициентом усиления G_ПД излучает мощность Р_изл расположенная в точке А на высоте h_А. Найдем напряженность поля в точке В расположенной на высоте h_B. Будем считать h_А, h_B>>λ , h_А, h_B<<r.

Комплексные амплитуды напряженностей полей создаваемые в точке В прямой волной

.

.

И соответственно отраженной волной

.

.

 – модуль коэффициента отражения; – фазовый сдвиг при отражении от Земли.

Полагая при определении амплитуд r_пр≈r_omp≈r получаем комплексные амплитуды

.

где Δr=r_omp-r_пр – разность хода отраженной и прямой волн.

Множитель ослабления:

,

а его модуль

.

Разность хода

.

Учитывая r_A>>h_A, r_B>>h_B, r>>[h_Bh_A] получим

.

Т огда

.

.

При изменении любой из величин h_A, h_B, r изменения множителя ослабления носят осциллирующий характер.

Интерференционные максимумы появляются при условии, что прямая и отраженная волна приходят в точку приема в фазе, т. е.

; m=1,2,3…

при этом V_m=1+Ф_m для мин

; n=1,2,3…, V_n=1-Ф_n..