Документ Microsoft Office Word. 2. распространение радиоволн в свободпом пространстве
 Скачать 35.68 Kb.
|
|
2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В СВОБОДПОМ ПРОСТРАНСТВЕ Под свободным пространством понимается однородная изотропная непоглащающая среда, относительная диэлектрическая проницаемость которой равна единице. Как показано в главах 6 и 7, в такой среде радиоволны распространяются прямолинейно н с постоянной скоростью. Хотя среды как идеального вакуума, длякоторой величина Е в точности равнялась бы единице, не существует, однако соотношения, получаемые при решении задач распространения радиоволн в таком простейшем случае, являются исходными. Влияние реальных сред на распространение радиоволн может быть учтено введением в эти сот ношения соответствующих множителей. Изучение распространения радиоволн в свободном пространстве начнем с рассмотрения поля простейшего излучателя, которым является элементарный диполь. Излучение элементарного диполя в однородной среде рассмотрено в главе 6. В частности там приведены диаграммы излучения по полю (см. рис. 6.10) и по мощности (см. рис. 0.11). Напишем выражение для амплитуды напряженности электрического поля элементарного диполя в волновой зоне. Для этого в выражение для комплексной амплитуды (К.21) подставим l = lm и Еа=ео и возьмем от него модуль. Тогда: Em=E0m=k²lm l/4e*1/r sin 0=60lml/1r sin 0 G/M (10.1) Подставив из (6.26) выражение для lm l/ в (10.1), найдем амплитуду напряженности поля элементарного диполя в свободном пространстве в волновой зоне: Еm= √90Ри/r sin 0. (10.2) Более общее выражение напряженности поля, справедливое для любого излучателя (антенны), можно получить, если ввести формулу (10.2) коэффициент направленного действия реального излучателя. Для этого предположим вначале, что энергия, излучаемая антенной Аи (рис. 10.2), распределяется равномерно по поверхности сферы, проведенной радиусом r из точки Аи через точку расположения приемной антенны Апр. Тогда среднее значение модуля вектора Пойнтинга, определяющего плотность потока энергии в единицу времени на поверхности рассматриваемой сферы, будет равно  Рис. 10.2Реальные антенны-излучают неизотропно, т. е. они обладают направленным излучением. Поэтому в местах расположения антенн Апр1 и Апр20, находящихся на одинаковых расстояниях r от излучающей антенны, но при разных направлениях относительно оси диаграммы направленности этой антенны, плотности падающей энергии будут разными. Указанное обстоятельство в соот-ветствпн с главой 6 учитывается коэффициентом направленного действия антенны Dи: И=Ри*Dи/4r². (10.3) С другой стороны, модуль вектора Пойнтинга в любой точке свободного пространства и соответствии с (2.48) и (7.18) равен И=ЕmНm/2=Е²m/2Z0= Е²m/240. (10.4) Приравнивая правые части выражений (10.3) и (10.4), находим амплитуду напряженности поля, создаваемого реальной антенной в свободном пространстве: Еm=√60РиDи/r (10.5) Выражение для мгновенного значения напряженности электрическою поля радиоволн, создаваемых антенной в свободном пространстве, может быть записано следующим образом: T(t)= √60РиDи/r cos(at-2/*r)= √60РиDи/r cos(|)(t-r/c). Необходимо отметить, что из формулы (10.5) можно, получить: (10.2) если воспользоваться для Dи выражением (6.28). Для коротких и особенно ультракоротких радиоволн условия приема более рационально характеризовать мощностью, создаваемой на входе приемного устройства, так как -чувствительность последнего принято выражать через мощность на входе, необходимую для уверенного приема сигналов. Мощность на входе приемной антенны равна произведению плотности потока энергии в единицу времени в месте расположения антенны на ее эффективную площадь Аэфф: P пр =Аэфф. Эффективная площадь антенны снязана с ее коэффициентом направленного действия соотношением [26] Аэфф=D пр²/4. Подставляя п (10.6) выражение для Аэфф, а также из (10.3), находим P пр = Ри Dи Dпр²/16² Выражения (10.5), (10.7) н вытекающие из них формулы для частных случаев (10.1), (10.2) справедливы для идеальной радиосвязи, так как при их выводи не учитывалось влиянии атмосферы, поверхности Земли и т. д., дополнительно влияющее на процессы излучения и распространения радиоволн. Формулы (10.5) н (10.7) дают возможность также определить дальность действия линий радиосвязи в свободном пространстве. При проектировании систем радиопередачи иногда пользуются понятием потерь при распространении радиоволн, понимая под этим отношение излучаемой мощности к принимаемой: L = Ри/ P пр При распространении радиоволн в свободном пространстве уменьшение мощности на входе приёмного устройства с увеличением расстояния r происходит только вследствие естественного рассеяния радиоволн, т. е. связано с увеличением поверхности фронта волны. При этом на основание (10.7) потери Lсв будут равны Lcв=(4r/)²1/Dи/Dпр. Первый множитель в (10.8) характеризует основные потери при распространение радиоволн в свободном пространсте: Lcв0=(4r/)² (10.9) Выражение (10.9) можно получить из формулы (10.8), если положить'. Dи=Dпр=1, т.е. считать антенны изотропными. Обычно потери выражают в децибелах (∂б). Тогда из формулы (10.8) имеем Lсв=(∂б)=10lgLсв=20lg(4r/)-10lgDи-10lgDпр=Lсв0(∂б)-Dи(∂б)-Dпр(∂б). (10.10) § 10.3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСОБЕННОСТЯХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН НА РЕАЛЬНЫХ ТРАССАХ. КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОВОЛН Космическому пространству в первом приближении можно приписать свойства однородной изотронной среды с E=1. Поэтому , можно считать, что распространение радиоволн в Космосе происходит так же, как и в свободном пространстве. На трассах, проходящих вблизи поверхности Земли, вследствие влияния этой поверхности и окружающей атмосферы траектория распространения радиоволны искривляется, изменяется скорость распространения, а реальная напряженность поля волны отличается от напряженности поля и свободном пространстве. Влияние поверхности Земли па распространение радиоволн обусловлено следующими четырьмя основными факторами: 1) отражением радиоволн от поверхности Земли (рис. 10.3, а) и связанным с ним явлением интерференции радиоволн;   рис. 10.3 2) полупроводящими свойствами среды и связаными с этим потерями электромагнитной энергии в земле (воде); 3) сферичностью Земли (рис. 10.3, б) и связанным с ней явлением дифракции радиоволн; 4) неровностями земной поверхности,вызывающее рассеяние радиоволн. Влияние атмосферы Земли на распространение радиоволн обусловлено особенностями электрофизических свойств земной атмосферы. По высоте над поверхностью Земли можно условно выделить три основных слоя атмосферы: слой в диапозоневысот от0 до 60км, включая0 в себя, как увидим в дальнейшем, тропосферу (0÷12км) и стратосферу (12÷60 км); слой на высоте от 60 до 600÷1000 км, представляющий собой ионосферу; слой, расположенный на высоте свыше 1000 км, где атмосфера обладает свойствами, близкими «свойствам космического пространства. Влияние первого слоя атмосферы на распространение радиоволн обусловлено тремя основными факторами: В тропосфере и в меньшей степени в стратосфере вследствие изменения коэффициента преломления с высотой происходит искривление траектории распространения радиоволн. Это явление, называемое рефракцией радиоволн, в случае коротких и особенно ультракоротких волн может привести к попаданию их в область тени (рис. 10.4, а).  Рис. 10.42. В тропосфере на локальных (местных) неоднородностях, образующихся вследствие турбулентного движения воздуха (например, в результате подъема воздуха вверх) происходит рассеяние ультракоротких волн (рис. 10.4,б). Это может быть причиной распространения радиоиволн далеко за пределы прямой видимости. Указанные явления и радиосвязи играют положительную роль, но в радиолокации они могут привести к ухудшению условий обнаружения объекта и к увеличению погрешностей в определении координат его местоположения. 3. В тропосфере, происходит поглощение энергии радиоволн с длиной=3 см и ниже атмосферными газами н различными атмосферными образованиями (осадками, облаками, туманом, пылью, поднятой с поверхности земли, и т. д.). Как будет показано далее, ионосфера по-разному влияет на распространение радиоволн различных диапазонов. Например, радиоволны длиннее 6÷10 м от нее отражаются. В результате многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли (рис. 10.4,в) такие радиоволны могут распространяться на весьма большие расстояния. Волны короче 6÷10 м проходят через ионосферу. Как и в тропосфере, в ионосфере могут иметь место такие явления, как рефракция и рассеяние радиоволн. Из изложенного следует, что для расчета реальных радиолиний в формулы идеальной радиосвязи должны быть введены множители, учитывающие рассмотренные факторы, а для учета некоторых из них должны быть получены более сложные формулы. По способу распространения в околоземном пространстве радиоволны классифицируются на три группы [7]: 1) земные, или поверхностные, волны; 2) тропосферные волны; 3) ионосферные, или пространственные, волны. Земными, или поверхностными, волнами называются радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли и частично огибающие ее выпуклость вследствие дифракции. Явление дифракции на выпуклостях земного шара подвержены, главным образом, длинные и сверхдлинные волны, длина которых одного порядка с размерами указанных выпуклостей. На сверхдлинных волнах дальность дифракционного распространения достигает 3000÷4000 км. Тропосферными волнами называются радиоволны, распространяющиеся на значительные (примерно до 1000 км) расстояния за счет рефракции и рассеяния в тропосфере, а также в результате направляющего полноводного действия тропосферы. Рассеяние на неоднородностях тропосферы проявляется только на волнах короче 10 м которые слабо дифрагируют вокруг земного шара и не распространяются за счет отражений от ионосферы. В тропосферных волноводах (см. § 15.9) практически могут распространяться волны короче 3 м. Ионосферными, или пространственными, волнами называются радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния и огибающие земной шар в результате однократного или многократного их отражения от ионосферы (в диапазоне волн длиннее 10 м), а также волны, рассеивающиеся на неоднородностях ионосферы и отражающиеся от ионнизированных следов метеоров (в диапазоне метровых волн). Из предыдущего изложения следует, что характер влияния тех или иных факторов на распространение радиоволн существенно зависит от длины волны. В связи с этим радиоволны подразделяют на 7 основных диапазонов. В табл. 10.1 приведена классификация радиоволн по пяти достаточно изученным диапазонам и способы распространения волн этих диапазонов. Кроме указанных диапазонов, в последнее время, как отмечалось, введены в рассмотрение также, диапазоны радиоволн инфразвуковых, звуковых (٪3000÷100 км) и оптических (инфракрасные лучи 1мм ÷0,75 мкм видимый свет 0.75÷0,4 мкм, ультрафиолетовые лучи 0,4÷0,1 мкм)частот.
В табл. 10.1 используется понятие прямой волны (волны распространяющейся по прямолинейной траектории). Теоретически такая волна имеет место только при распространении радиоволн в однородной изотропной среде. Дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны иногда называют радиоволнами сверхвысоких частот (СВЧ), а волны .в диапазоне длин от 1 до 0,1 мм — субмиллиметровыми волнами. В последнее время для целей радиосвязи и радиолокации начали использовать волны инфракрасного и видимого диапазонов. Длину волны этих диапазонов выражают наряду с микрометрами (1 мкм=10ֿ6 ,м= 10ֿ3 мм) также в ангстремах (1 А=10ֿ10 ,м=10ֿ7 мм =10ֿ4 мкм), а частоту в мегагерцах (Мгц) или в гигагерцах (Ггц) и терагерцах (Тгц) (1Мгц= 106 гц, 1 Ггц= 109 гц, 1 Тгц=1012 гц. В последующих главах рассматривается влияние поверхности Земли и атмосферы на распространение радиоволн различных диапазонов. Вопросы для самопроверки 1. Каковы области применения свободно распространяющихся радиоволн 2. Что такое радиолиния н какие существуют разновидности радиолиний 3. Какой физический смысл имеют величины, входящие в выражение для напряженности ноля и свободном пространстве 4. Выведите формулу (10.7) идеальной радиосвязи. 5. Каким образом влияют атмосфера на поверхность земли на распространение радиоволны 6. Как можно классифицировать радиоволны? | |||||||||||||||||||||||