Распространение радиоволн в реальных условиях

Радиоволны от излучателя, находящегося в точке / рис. 25.9, а вблизи поверхности земли, к приемнику, находящемуся в точке 2, могут распространяться тремя путями:

• 1) под малым углом к горизонту вдоль поверхности земли — это так называемая земная волна (рис. 25.9, а)
• 2) отражаясь от ионосферы (рис. 25.9, б)
• 3) путем многократного отражения от ионосферы и от земли (рис. 25.9, в).

Кроме того радиосвязь может осуществляться с подводными объектами и объектами в космосе (в последнем случае в соответствии с рис. 25.9, г).

Распространение радиоволн зависит от того, каким путем дойдет волна до приемника, и от длины волны.

Если волна земная, то ее распространение сильно зависит от свойств поверхности земли на частоте волны, вдоль которой она распространяется, а если волна отражается от ионосферы, то от свойств ионосферы на частоте волны.

Рис 25.9.

Спектр практически используемых длин волн X для радиосвязи и соответствующих им частот / = v_c /X (v_c — скорость света) условно подразделяют на следующие диапазоны:

• — сверхдлинные X = (100…10) км, / = (3…30) кГц;
• — длинные Х = (10…1) км, / = (30… 100) кГц;
• — средние X = (1000…100) м, / = (300…3000) кГц;
• — короткие Х = (100.Л0) м, / = (3…30) МГц;
• — ультракороткие с поддиапазонами: метровые Х = (10…3)м, / = (30…100) МГц; дециметровые X = (1…0,1) м, / = (0,3…3) ГГц; сантиметровые X = (0,1…0,01) м, / = (3…30) ГГц.

Поверхностный слой земли в общем случае является средой полупроводящей. Удельная проводимость сухой земли у = (1. .200) * 10~⁵ Ом⁴ м'¹ и ее относительная диэлектрическая проницаемость г_г =3…6; влажная земля имеет у = (2…30)-10″ * Ом'¹ м"‘ и е_г =10…30; пресная вода имеет у"2,5−10″² Om'' -м" ¹, е_г«80.

В диапазоне длинных и сверхдлинных волн, т. е. при относительно низких частотах, земля — проводник (у «а)е₀ е_г); при средних частотах — земля полупроводник, величины у и сое₀е_г соизмеримы; при сверхвысоких частотах — земля диэлектрик (у «(ое₀ е_г).

Сверхдлинные волны используют для связи с подводными объектами, так как при низких частотах глубина проникновения Д = ^2/о> ур_а радиоволн в морскую воду оказывается достаточно значительной.

Длинные волны отражаются от ионосферы с малыми потерями, поэтому связь на них может осуществляться на больших расстояниях. Волны средневолнового диапазона могут доходить до приемника либо в виде волн, отраженных от ионосферы, либо в виде земной волны, либо одновременно этими двумя путями. Земная волна умеренно ослабляется потерями в земной поверхности, а волна средневолнового диапазона, отраженная от ионосферы, в дневное время может сильно поглощаться атмосферой, так что в дневное время может не доходить до приемника.

Короткие волны при определенных условиях могут свободно проходить через ионосферу и поэтому их используют для связи с космическими объектами. Их применяют и для связи на больших расстояниях при использовании отражения от ионосферы. Связь земной волной на коротких волнах осуществляется на расстояниях всего в несколько десятков километров, так как короткие волны сильно ослабляются земной поверхностью. При связи на коротких волнах может появиться зона молчания, в которую земная волна уже не доходит, а ионосферная еще не появилась.

Ультракороткие волны используют для связи на расстояниях прямой видимости (ионосфера не возвращает ультракороткие волны на землю).

Рассмотрим методику расчета реальных излучателей.

Если считать землю идеально проводящим телом, то поле электрического диполя, расположенного в воздухе перпендикулярно поверхности земли (рис. 25.10, а), можно определить как поле диполя и его.

Рис. 25.10.

зеркального отображения в поверхности земли (рис. 25.10, б), расположенных в свободном пространстве. Напряженность электрического поля в любой точке верхнего полупространства равна векторной сумме векторов напряженностей поля от двух излучателей.

Аналогично поступают при определении поля, создаваемого магнитным диполем, расположенным над поверхностью земли (рис. 25.10, в).

Этот прием используют для расчета поля антенн. Простейшая антенна представляет собой отрезок провода длиной /, расположенный вертикально к поверхности земли (рис. 25.11, а). Генератор высокой частоты включают между антенной и землей. За счет наличия распределенных емкостей антенны и проходящих через них токов смещения, ток по высоте антенны меняется по амплитуде и по фазе (см. эпюру изменения амплитуд на рис. 25.11, а). Антенна обладает высокой способностью к.

Рис. 25.11.

излучению вследствие того, что создаваемые ею электрическое и магнитное поля распределены в одной и той же области пространства, окружающего антенну (см. рис. 25.11, а).

Влияние земли на поле учитывают, вводя в расчет зеркальное изображение антенны (полагая, что земля является идеальным проводником). При этом длина антенны оказывается равной 2 /, а эпюра тока дополняется второй половиной (рис. 25.11, б). Для расчета поля, создаваемого антенной, ее заменяют совокупностью малых отрезков длиной dl, на каждом из которых ток принимают неизменным по амплитуде и фазе. Тогда напряженность поля в произвольной точке пространства можно найти как геометрическую сумму напряженностей, создаваемых всеми малыми отрезками антенны.

Так как процесс сложения векторов от многих пар отрезков антенны с различными по величине токами довольно трудоемок, то полагают, что ток по высоте антенны неизменен и равен действующему значению тока / = 1_тН2. В этом случае антенна излучает в верхнее полупространство половину мощности, которую излучал бы диполь длиной 2/ с током /.

Для увеличения емкости антенны, а следовательно, и проходящего по ней тока при том же напряжении генератора антенну часто дополняют горизонтальным участком (рис. 25.11, в).

Учет влияния земли на распространение земной электромагнитной волны осуществляют, используя понятие относительной комплексной диэлектрической проницаемости несовершенного диэлектрика.

Вектор электрической индукции при использовании е_г равен D = e₀t_rE₁ а плотность «тока смещения» при синусоидальном изменении Е во времени будет равна.

Первое слагаемое правой части последнего выражения представляет собой плотность тока проводимости, второе — плотность тока смещения в диэлектрике без потерь.

Рассмотрим подход к методике учета затухания земной волны, предложенный Шулейкиным и Ван-дер-Полем. Сначала полагают, что излучатель в точке 1 и приемник в точке 2 рис. 25.9, а находятся в свободном пространстве и определяют амплитуду напряженности электрического поля в точке 2 (назовем ее Е_2тс) с помощью формулы (25.39), а для магнитного диполя — по формуле (25.43). Затем учитывают, что в действительности излучатель и приемник находятся вблизи поверхности земли и поэтому поле в точке 2 создается не только излучателем, находящимся в точке /, но и его зеркальным изображением по рис. 25.10. Принимают, что электрическое поле в точке 2 при этом возрастет в Л раз и станет равным J2 Е_2тс. Ослабление поля вследствие потерь в земле учитывают коэффициентом ослабления к. В результате напряженность поля в точке 2 оказывается равной к J2 Е_2тс. Коэффициент к зависит от расстояния /?, от длины волны X, от проводящих и диэлектрических свойств земли на используемой частоте, от вида поляризации волны, от шаровидности земли и т. д. Берроузом (Burrous C. R, Gray М.С. Proc. IRE. 1941. V. 29. Р. 16) дана наиболее полная формула для приближенного его определения (25.46).

При вертикальной поляризации волны, когда вектор Е перпендикулярен поверхности земли.

При горизонтальной поляризации волны, когда вектор Е параллелен поверхности земли.

В этих формулах е_г это относительная комплексная диэлектрическая проницаемость поверхности земли, вдоль которой распространяется волна^[1]. Прямые скобки в формулах (25.47) и (25.48) означают, что имеется в виду модуль комплексного числа в этих скобках. На рис. 25.12 изобра;

жены кривые зависимости, А от, а при различных видах поляризации и различных tgА = у /(со е₀ е_г).

Рис 25.12.

Рассмотрение кривых на рис. 25.12 позволяет сделать следующие выводы.

• 1. При одном и том же значении параметра а электромагнитная волна, у которой вектор? вблизи поверхности земли перпендикулярен ее поверхности, ослабляется в меньшей степени, чем волна, у которой вектор? параллелен поверхности.
• 2. Влияние величины tgA на затухание волны проявляется сильнее у волны, в которой вектор? вблизи поверхности земли перпендикулярен поверхности земли, и проявляется в меньшей степени у волны, в которой вектор? параллелен поверхности.

В длинноволновом диапазоне для определения к пользуются также эмпирической формулой Остина.

где R — длина трассы между точками / и 2, А.— длина волны.

• [1] *' Заметим, что е, связана с абсолютной комплексной диэлектрической проницаемостью е, в § 24.8 соотношением е, = с,/е0