Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

1. Отражение и преломление радиоволн в ионосфере. Условие отражения волны от слоя ионосферы

Атмосферу подразделяют на три основные сферы (слоя): тропосферу — приземный слой атмосферы, верхний слой которой лежит на высоте 10… 14 км; стратосферу — слой атмосферы до высот 60…80 км; ионосферу — ионизированный воздушный слой малой плотности над стратосферой, переходящий затем в радиационные пояса Земли. Под влиянием лучей Солнца, космических лучей и других факторов воздух ионизируется, т. е. часть атомов газов, входящих в состав воздуха, распадается на свободные электроны и положительные ионы. Ионизированный воздух оказывает сильное влияние на распространение радиоволн.

Для различных газов максимум ионизации получается на разной высоте. Ионизированный слой атмосферы — ионосфера — состоит из нескольких слоев:

Рис. 1.

Слой D, существует только днем, слой F, имеет ночью высоту 250…350 км, а днем разделяющийся на два слоя: F₁ - на высоте 180…220 км и F₂ — на высоте 220…500 км.

Высота, толщина и проводимость ионизированных слоев различны в разное время суток и года вследствие изменения ионизирующего действия солнечных лучей (рис 2).

Рис. 2.

Реальная ионосфера представляет собой неоднородную структуру, так как коэффициент преломления зависит от высоты. Влияние неоднородности ионосферы проявляется в том, что радиоволны в ионосфере распространяются по криволинейным траекториям. При определенных условиях волны испытывают полное отражение от ионосферы.

Предположим, что волна падает на самый нижний слой ионизированного газа, а коэффициенты преломления слоев подчиняются условию:

n₁ > n₂ > n₃ >…n_n (4.45).

Используя закон преломления волн в слоистых средах, известный как закон Снеллиуса, можно записать:

n₀sinц₀ = n₁sinц₁ = …n_nsinц_n (4.46).

Частота, при которой показатель преломления плазмы обращается в нуль, называется плазменной частотой, или частотой Ленгмюра:

Из (4.46) следует, что с ростом высоты угол падения волны на слой возрастает. Если угол падения станет равным 90⁰, то произойдет полное внутреннее отражение, и волна будет распространяться вдоль границы раздела слоев. Это условие является необходимым и достаточным для поворота волны к Земле, так как верхние участки фронта волны, двигаясь быстрее в среде с меньшим коэффициентом преломления, чем нижние, обеспечат необходимый наклон фронта волны в сторону поверхности Земли.

Из (4.46) следует, что:

sinц₀ = n_n, (4.47).

или для показателя преломления плазмы:

(4.48).

В случае плоской Земли и ионосферы, условие отражения (4.48) выполняется при сколь угодно большой частоте волны. Сферичность Земли и ионосферы накладывают ограничение на максимальный угол падения волны. Как следует из рис. 3, максимальный угол падения на ионосферу в этом случае определяется из выражения:

.

где h — высота отражающего слоя, а — радиус Земли.

Рисунок 3. К определению максимального угла падения волны на отражающий слой.

Отражение волны происходит в той области ионосферы, где диэлектрическая проницаемость убывает с ростом высоты, и будет возможно, если угол падения волны на слой не меньше величины, определяемой из условия:

При фиксированном угле падения, как следует из (4.48), отражение волны имеет место, если рабочая частота волны не больше величины, определяемой из соотношения:

(4.50).

Из (4.50) следует, что максимальное значение частоты соответствует условию, когда волна отражается от области близ максимума электронной концентрации:

(4.51).

Если нарушаются условия (4.49) и (4.50) волна от ионосферы не отражается и проникает в космическое пространство.

При вертикальном падении волны на слой условие отражения определяется из формулы:

(4.52).

Используя (4,53), условие отражения (4.51) можно переписать в виде:

(4.54).

Из сравнения (4.50) и (4.52) следует важный вывод о том, что частоты отражаются на одной высоте. Выражение (4.54) называется законом секанса.

Частота, на которой вертикально падающая волна отражается от области близ максимума электронной концентрации слоя, называется критической:

(4.53).

Вышеизложенное иллюстрирует рис. 2, где приведены траектории волны в ионосфере при фиксированном угле падения и при фиксированной частоте.

а) б).

Рис. 2. К теории отражения наклонно падающей волны:

• а) при фиксированном угле падения,
• б) при фиксированной частоте.
• 2. Критические, максимально применимые и рабочие частоты в ионосферных радиотрассах

Действие условия.

.

где h — высота отражающего слоя, а — радиус Земли, приводит к ограничению рабочих частот на линиях ионосферной связи.

Для того, чтобы учесть влияние кривизны Земли, обратимся к рис. 4 и установим соотношение между углом возвышения в и углом падения ц0 на нижнюю границу слоя ионосферы, находящуюся на высоте h.

Рисунок 4. К определению максимальных частот.

Из треугольника ОАВ находим:

(4.56).

Подставляя это выражение в условие отражения (4.48) и пренебрегая величинами второго порядка малости, получим:

.

или:

(4.57).

Максимальное значение частоты можно получить, подставив вместо N максимальное значение Nмакс слоя:

(4.58).

Наибольшее значение максимальная частота получает при в = 0:

(4.59).

Учитывая реальные значения величин в формуле (4.59), можно сделать вывод, что от ионосферы способны отражаться волны с длиной не менее 10 м, что соответствует частоте 30 МГц. Таким образом, от ионосферы отражаются длинные, средние, короткие волны и не отражаются при регулярном состоянии ионосферы волны ультракоротковолнового диапазона.

радиоволна преломление антенный излучение.

3. Решетка наклонного излучения. Принцип действия, диаграмма направленности

Направленные свойства одиночного вибратора сравнительно невысоки. Поэтому для получения узких диаграмм направленности из вибраторов создают более сложные системы, называемые антенными решетками.

Антенная решётка (АР) — система идентичных излучателей, одинаково ориентированных в пространстве и расположенных по определенному закону. В зависимости от расположения элементов различают линейные, поверхностные и объемные решетки, среди которых наиболее распространены прямолинейные и плоские АР.

В антенных решетках вибраторы соединены системой распределительных линий, называемой схемой питания решетки.

Изменять угловое положение главного лепестка диаграммы направленности решетки возможно, если элементы решетки возбуждать со сдвигом по фазе. Чаще всего фаза возбуждения изменяется вдоль решетки по линейному закону, т. е. увеличивается от элемента решетки к элементу на постоянную величину ш, которая называется дискретом фазы.

Тогда разность фаз полей, создаваемых соседними элементами решетки в произвольной точке пространства, имеет две составляющие. Первая составляющая определяется дискретом фазы ш, вторая шпростр — разностью хода лучей Дr от соседних элементов решетки до точки наблюдения:

(14.4).

Угловое положение главного лепестка ДН определяется синфазным сложением полей элементов решетки, т. е. когда 0, или .

Рассмотрим решетку, состоящую из n элементов с шагом d (рис. 5).

Рисунок 5. Схема сложения полей в решетках наклонного излучения.

Условно примем, что фаза возбуждения первого элемента решетки равна 0, а дискрет фазы равен. Как следует из рис. 5, пространственная разность фаз полей.

.

а угловое положение главного лепестка ДН определяется из условия:

(17).

Из (17) следует, что при увеличении максимум излучения, приближается к оси решетки, т. е. отклоняется в ту сторону, в которую происходит отставание фазы возбуждения элементов решетки. На этом принципе основана работа фазированных решеток. Формула нормированного множителя решетки наклонного излучения имеет вид:

(18).

Нули в ДН находятся из условия равенства нулю числителя:

(19).

где, откуда.

(20).

Определим условия, при которых отсутствуют дополнительные главные максимумы ДН. Указанные максимумы возникают, когда фазовый сдвиг между полями двух соседних элементов равняется, т. е. когда Или.

(21).

Чтобы исключить появление главных вторичных максимумов, необходимо, чтобы модуль правой части выражения (21) превышал единицу.

Минимальное значение правой части (21) соответствует знаку минус, т. е.

Отсюда требование к шагу решетки имеет вид: