4.6. Ослабление в ионосфере

Различают два вида ослабления энергии волны при распространении в ионосфере: поглощение (тепловые потери) и поляризационные потери за счет эффекта Фарадея.

Поглощение. В ионосфере с конечной проводимостью модуль мно­жителя ослабления V_и=ехр[-Г_и(r)], где Г_и(r) - интегральный коэффициент поглощения на пути r, вдоль которого закон изменения коэффициента по­глощения определяется функцией δ_и(r) Коэффициент поглощения на эле­ментарном отрезке dr, где значение δ_и можно считать постоянным,

,

где с₀ - скорость света.

Запишем это выражение через коэффициент преломления n_и² = ε_и. Для этого представим выражение для удельной проводимости как σ_и = ε₀γ_эф(1 - ε_и) и, подставив, получим выражение для коэффициента по­глощения

δ_и = γ_эф(1-n_и²) / (2с₀n_и).

Различают два случая расчета поглощения. Первый случай соответ­ствует так называемому "отклоняющему" поглощению. В слое, где проис­ходит отражение, траектория волны сильно отклоняется от прямолиней­ной. В этом случае n_и < 1 и расчет величины коэффициента поглощения ведут по последней формуле. Второй случай относится к слоям, через ко­торые волна проходит без отражения и где коэффициент преломления n_и ≈ 1. В этих слоях поглощение называют "неотклоняющим" и δ_и = γ_эф(1 - n_и²) / (2с₀). Напомним, что интегральный коэффициент поглощения Г_и оп­ределяется не только δ_И, но и длиной пути r. В неотклоняющей области значение Г_и увеличивается с понижением частоты и увеличением длины трассы (при фиксированной частоте). В отклоняющей области зависимо­сти обратные. С увеличением длины трассы и понижением частоты откло­няющее поглощение уменьшается, поскольку уменьшается глубина про­никновения волн в отражающий слой. Результирующая частотная зависи­мость величины поглощения Г_и, как суммы неотклоняющего и отклоняю­щего поглощений, может быть разной.

Поляризационные потери за счет эффекта Фарадея. Ионосфера под влиянием постоянного магнитного поля Земли приобретает анизо­тропные свойства. Первичная линейно-поляризованная волна в ионосфере расщепляется на две составляющие с круговой поляризацией и противо­положным направлением вращения векторов поля. Каждой составляющей соответствует свой коэффициент преломления - обыкновенной - n_и°, не­обыкновенной - n_и^х, что обусловливает их разную скорость распростране­ния и разный пространственный набег фазы. Появляющийся сдвиг фаз φ°_rи - φ^х_rи после прохождения пути r_и в ионосфере является причиной того, что плоскость поляризации результирующего линейно поляризованного поля (сумма двух составляющих с круговой поляризацией) оказывается повер­нутой относительно первоначального положения на угол _эф.

Поворот плоскости поляризации поля при распространении в анизо­тропной среде называется эффектом Фарадея. Этот эффект приводит, к рассогласованию поляризации приемной антенны и поляризации прини­маемой волны, что эквивалентно потеря

ЛЕКЦИЯ 5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗЕМНЫХ РАДИОВОЛН

5.1. Физические процессы при распространении земной волны. Классификация методов расчета поля земной волны

Определение поля излучателя, расположенного в атмосфере вблизи земной поверхности, с учетом реальных свойств Земли и атмосферы представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Для облегчения ее решения вводят некоторые упрощения. Поверхность Земли считают электрически однородной, сферической и идеально гладкой. Электрические параметры атмосферы (воздуха) принимают такими же, как и параметры свободного пространства.

Поле земной волны можно считать результатом суперпозиции полей, созданных вторичными источниками, которые возбуждены первичным полем в воздухе и земле. Полупроводящие свойства земли приводят к оттоку энергии волны из воздуха в почву. Сферическая земная поверхность является препятствием, которое земная волна огибает при распространении за линию горизонта. Процесс огибания - процесс дифракции радиоволн вдоль сферического препятствия приводит к дополнительным потерям по сравнению со случаем распространения радиоволн над плоской поверхностью.

Для практических расчетов общее решение дифракционной задачи можно разделить на несколько частных. Критерием для применения частных решений служат высота подъема антенн над поверхностью Земли и длина радиотрассы (расстояния от пункта передачи до пункта приема). Оба параметра определяют степень затенения земной поверхностью пространственных зон Френеля, а, следовательно, и закон ослабления поля в процессе дифракции.

В зависимости от высот расположения антенн различают два класса задач. К первому классу относят задачи, в которых высота подвеса антенн h»λ и которые питаются неизлучающим фидером. Это так называемые поднятые антенны, что на практике характерно при работе в диапазоне УКВ и с некоторыми ограничениями в диапазоне КВ. Второй класс задач рассматривает процесс дифракции радиоволн при низкорасположенных антеннах, когда h « λ. Этот случай характерен для работы в диапазонах СДВ, ДВ, СВ и частично КВ.

Вдоль пути распространения земной волны в зависимости от степени освещенности точки приема излучением передающей антенны выделяют три области (зоны): освещенности (I), полутени (II) и тени (III), как показано на рис.5.1. Термин "Зона освещенности" имеет смысл только при поднятых антеннах. При низкорасположенных антеннах область, прилегающую к передающей антенне, называют зоной "приближения плоской Земли", поскольку в пределах этой зоны поверхность Земли можно приближенно считать плоской.

Линия горизонта

В зонах полутени и тени расчет напряженности поля как для поднятых, так и для низко расположенных антенн ведется по общим дифракционным формулам Фока.

Рис.5.1. К делению радиотрассы на зоны Рассматривая среды, параметры которых указаны в табл. 5.1, видим, что для морской воды равенство плотности токов проводимости и токов смещения 60λσ ≈ ε наступает при длине волны λ, равной 0,33 м. Поэтому для радиоволн, имеющих длину волны сантиметрового диапазона, морская вода может рассматриваться как диэлектрик.

Таблица 5.1

Вид земного покрова	ε	σ, См/м
Морская вода	80	1...6
Пресная вода рек и озер	80	10-3…10-2
Влажная почва	10...30	3 × 10-3..3 × 10-2
Сухая почва	3...6	1 × 10-5…5 × 10-3
Мерзлая почва	3...6	10-3...10-2
Лед (t=-10°С)	4...5	10-2...10-1
Снег (t=-10°С)	1	10-6

Для влажной почвы это условие выполняется на длине волны λ, равной 17м. Влажная почва может рассматриваться как диэлектрик для метровых и более коротких волн. Таким образом, для волн сантиметрового диапазона все виды земной поверхности имеют свойства, близкие к свойствам идеального диэлектрика.

Рис.5.2. К определению расстояния прямой видимости

Отметим также, что при оценке условий распространения земной волны в случае hλ сравнивают длину радиолинии r с расстоянием прямой видимости r₀ (рис.5.2). Высоты подвеса приемных и передающих антенн h₁,h₂ << a, где a=6370км- радиус Земли, поэтому величина r₀, отсчитываемая по дуге большого круга, приближенно равна прямой АВ и ; с учетом тропосферной рефракции

,

где a_э - эквивалентный радиус Земли

,

dN/dh- градиент индекса коэффициента преломления тропосферы. При обычных высотах подвеса антенн (порядка нескольких десятков метров) предельное расстояние прямой видимости составляет несколько десятков километров (как правило, не более 50...60 км). Таким образом, в случае h >> λ, деление трассы распространения земной волны на зоны производят следующим образом: r  0,8r₀ - зона освещенности; 0,8r₀ < r < 1,2r₀- зона полутени; r ≥ 1,2r₀- зона тени.

Сферическая земная поверхность является препятствием, которое волна огибает при распространении за линию горизонта. Процесс огибания - процесс дифракции радиоволн вдоль сферического неидеального экрана с радиусом 6370 км сопровождается большими потерями.