Глава 6. ВЛИЯНИЕ ТРОПОСФЕРЫ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Для выяснения влияния атмосферы на распространение радиоволн кратко рассмотрим структуру атмосферы. Земная атмосфера представляет собой газообразную оболочку, простирающуюся примерно до высоты 28 000 км над полюсами и 42000 км над экватором. Атмосферу принято делить на четыре сферических слоя: тропосферу, стратосферу, ионосферу и экзосферу (сфера рассеяния). Самый нижний слой, простирающийся по мере продвижения от полюса к экватору до высот 8 –18 км, называется тропосферой. Над тропосферой до высоты 80 км расположена стратосфера. В ней приблизительно с высоты 20 км до 50 км расположен озоновый слой.Он отвечает за развитие и поддержание жизни на Земле. Озоновый слой поглощает губительное для всего живого на планете ультрафиолетовое излучение Солнца. Слой атмосферы, расположенный выше 80 км, называется ионосферой,которая на удалении от поверхности Земли 450 – 800 км переходит в экзосферу и ближний космос.

Влияние тропосферы на распространение радиоволн

Характер распространения радиоволн в тропосфере зависит от состояния атмосферы и процессов, которые в ней происходят. Состояние тропосферы определяется такими физическими характеристиками, как температура, влажность и давление, т. е. её метеопара-
метрами.

В тропосфере сосредоточены почти 3/4 всей массы атмосферы и почти вся содержащаяся в атмосфере влага. В ней происходят свободное перемешивание воздушных масс и процессы формирования погоды: конденсация паров воды, образование облачности, снега, дождя и т. д.

Тропосфера имеет постоянный газовый состав: азот, кислород, углекислый газ, водород, гелий и др.

Влияние условий погоды на распространение радиоволн весьма сложно, зависит от длины волны и сводится к следующим эффектам:

1. Искривление направления распространения радиоволны (рефракция).

2. Рассеяние радиоволн неоднородностями тропосферы (эффект дальнего тропосферного распространения радиоволн).

3. Поглощение энергии радиоволн в тропосфере.

4. Поглощение и рассеяние радиоволн гидрометеорами (капельками дождя, тумана, частицами снега и т. д.)

Рефракция радиоволн в тропосфере

Источник

Влияние земли и атмосферы на распространение радиоволн.

Как известно, воздух не вызывает ослабление радиоволн практически во всех диапазонах частот и, казалось бы, поэтому земная волна должна распространяться без поглощения. Однако это верно лишь в том случае, если земная волна проходит высоко над поверхностью земли. Если же радиоволны проходят вблизи от поверхности земли, то часть энергии волны отклоняется в землю. Происходит это потому, что скорость распространения радиоволн в земле меньше, чем в воздухе, и при движении их вдоль её поверхности нижний край волны отстаёт от верхнего, фронт волны наклоняется и помимо движения вдоль поверхности земли происходит её распространение сверху вниз.

Если бы земная поверхность была идеально проводящей, радиоволны отражались бы от неё без потерь, т.е. земля в этом случае была бы экраном, препятствующим прохождению волн вглубь почвы. В реальных условиях земля не является ни идеальным проводником, ни идеальным изолятором. Радиоволны, попавшие в землю, возбуждают в ней переменные электрические токи, которые часть своей энергии расходуют на нагрев почвы. Величина потерь энергии в земле очень сильно зависит от частоты радиоволн и сопротивления почвы электрическому току. В почве с увеличением частоты радиоволн величина индуцируемой ЭДС возрастает и соответственно увеличиваются токи в земле, которые создают электромагнитное поле обратного направления. Поэтому дальность распространения поверхностных радиоволн очень быстро уменьшается с увеличением частоты.

При уменьшении проводимости грунта радиоволны глубже проникают в среду и, следовательно, возрастает их поглощение. Ещё изобретатель радио А.С. Попов заметил, что над поверхностью моря дальность радиосвязи увеличивается по сравнению с дальностью связи над сушей. Кроме того, с ростом частоты ухудшаются условия огибания (дифракции) радиоволнами препятствий.

Вышеперечисленные факторы ограничивают возможности использования поверхностной волны диапазонами сравнительно длинных волн (мириаметровые, километровые, гектометровые и частично декаметровые).

Атмосферой называется газообразная оболочка Земли, простирающаяся на высоту более 1000 км. Атмосфера подразделяется 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 слой малой плотности над стратосферой, переходящий затем в радиационный пояс Земли. На высотах в сотни километров различные газы, составляющие воздух, располагаются слоями, более тяжёлые – ниже, более лёгкие – выше. Таким образом, атмосфера на этих высотах неоднородна по составу.

Под влиянием лучей Солнца, космических лучей и других факторов воздух ионизируется, т.е. часть атомов газов, входящих в состав воздуха, распадаются 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 слоёв.

F2

220-500 км

Рис. 1. Строение атмосферы.

На высоте 60-80 км находится слой D, существующий только днём. Следующий слой Е располагается на высоте 90-130 км. Ещё выше находится слой F, имеющий ночью высоту 250-350 км, а днём разделяющийся на два слоя: F1- на высоте 180-220 км и F2 – на высоте 220-500 км.

Высота, толщина и проводимость ионизированных слоёв различны в разное время суток и года вследствие изменения ионизирующего действия солнечных лучей. Чем больше ионизирующее действие солнечных лучей, тем больше проводимость и толщина ионизированных слоёв и тем ниже они располагаются. Днём проводимость и толщина их больше, а высота над землёй меньше, чем ночью. Летом проводимость и толщина ионосферных слоёв больше, а высота меньше, чем зимой. Через каждые 11 лет на Солнце повторяется максимум солнечных пятен, являющихся мощными источниками ионизирующих излучений. В это время проводимость и толщина ионизированных слоёв достигают максимума, и они располагаются ниже. Таким образом, свойства земной атмосферы, влияющие на распространение радиоволн, изменяющиеся по довольно сложным законам. Происходят также изменения случайного характера, которые предусмотреть вообще невозможно.

Ионосфера оказывает существенно влияние на распространение радиоволн. Оно заключается прежде всего в том, что радиоволны, попадая в ионосферу, изменяют своё направление. Происходит это вследствие неоднородного характера ионосферы. Если бы относительные диэлектрические проницаемости воздуха и ионосферы были одинаковы, то волна не меняла бы своего направления. Так как в ионосфере имеются свободные электроны, её относительная диэлектрическая проницаемость меньше диэлектрической проницаемости неионизированного воздуха. Вследствие этого при переходе из воздуха в ионосферу происходит преломление волны, а поскольку концентрация электронов в верхних слоях ионосферы возрастает, то волна, многократно преломляясь, возвращается на землю.

Кроме изменения направления распространения радиоволн в ионосфере происходит поглощение их энергии. Объясняется это тем, что радиоволны, попадая в ионосферу, вызывают колебания находящихся там свободных электронов. Совершая колебательное движение, электроны сталкиваются с тяжёлыми частицами – ионами и молекулами. При этом они теряют энергию, приобретённую от радиоволны, и передают её указанным частицам; ионосфера нагревается. Таким образом, часть энергии радиоволны в ионосфере теряется. Чем выше частота радиоволн, тем меньше скорость колебательного движения электронов. Кинетическая энергия, получаемая ими от радиоволны и отдаваемая затем тяжёлым частицам, оказывается меньше. Поэтому с повышением частоты потери энергии радиоволны в ионосфере уменьшается.

Подводя итоги можно отметить следующее:

— из-за неоднородностей ионосферы радиоволны преломляются в ней и отражаются на землю;

— с ростом частоты отражаемая способность уменьшается;

— с ростом частоты уменьшается поглощение волн в ионосфере;

— состояние ионосферы и связанные с ним условия распространения имеют периодические и непериодические изменения.

2.Распространение радиоволн короче 10м.

Волны короче 10 м разбиты на пять диапазонов, которые часто называют диапазонами ультракоротких волн (УКВ). В течение многих лет использование УКВ ограничивалось требованиям прямой видимости между антеннами передатчика и приёмника, которое вытекает из прямолинейности распространения этих волн. Действительно, дифракция практически не свойственна УКВ, и они не могут огибать выпуклости земной поверхности. Степень же ионизации ионосферы недостаточна для отражения этих радиоволн.

Дальность распространения на расстояние прямой видимости составляет:

, где h 1 и h 2 – высоты расположения передающей и приёмной антенн (м).

Таким образом, если поднять антенны на высоту 25 м, то расстояние прямой видимости составит 36 км. Для осуществления связи на большие расстояния необходимо между пунктами связи устанавливать промежуточные станции (ретрансляторы), либо поднимать антенны на большие высоты. Первый принцип используется в радиорелейных системах передачи, где промежуточные станции располагаются на расстоянии 50-70 км. Для увеличения зоны обслуживания телевизионного вещания используются антенны, расположенные на башнях большой высоты. Так, высота Останкинской телевизионной башни составляет 525м.

Связь в пределах прямой видимости характеризуется возможностью одновременного прихода в точку приёма не только прямой волны, но и волны, отражённой от земной поверхности. Эффект интерференции может привести к резкому снижению напряжённости поля в точке приёма. Однако в отличие от диапазонов гектометровых и декаметровых волн, интерференционные явления здесь могут быть сведены до минимума оптимальным подбором высот антенн, расстояния между ними и длины волны.

Диапазон УКВ является, пожалуй, наиболее широко используемым участком радиодиапазона. Большая частотная ёмкость этого диапазона и ограниченный предел прямой видимости радиус действия позволяют разместить большое число одновременно работающих станций и осуществлять передачу информации в широкой полосе частот. Диапазон УКВ позволяет одновременно передавать большое число телевизионных программ, организовать тысячи телефонных каналов и цифровых систем связи. Диапазон широко используется для радиолокации, радионавигации, связи с искусственными спутниками, звукового и телевизионного вещания и в радиоастрономии. Диапазон метровых и декаметровых волн используется в основном для телевидения, радиовещания и радиосвязи с подвижными объектами. Диапазон сантиметровых волн отведён для различных видов многоканальной связи.

Диапазон метровых волн используется иногда для связи вне пределов прямой видимости, так как они способны огибать небольшие преграды на земной поверхности. Дальность такой связи обычно исчисляется километрами, реже – десятками километров. Наиболее сложными оказывается условия связи на метровых волнах в больших городах, где часто прибегают к ретрансляции через центральную станцию, антенна которой установлена на высотном доме.

На практике наблюдаются случаи дальнего распространения метровых и более коротких волн. Это объясняется тем, что возможно такое состояние атмосферы, при котором изменение коэффициента преломления по мере подъёма вверх происходит в гораздо большей степени, чем в нормальных условиях. Искривление траектории радиолуча вследствие рефракции увеличивается, становится возможным распространение радиоволн параллельно земной поверхности или даже попадание их после преломления на поверхность земли (явление сверхфракции). Падающие на землю волны отражаются, распространяются вверх, опять преломляются и т.д. В пространстве между поверхностью земли и преломляющими верхними слоями, вдоль которого волны распространяются на расстояния в десятки раз больше расстояний прямой видимости. Это создаёт возможность приёма телевизионных программ из других городов и даже стран.

Следует отметить, что появление волноводных каналов в атмосфере происходит редко. Для этого требуется стечение благоприятных условий: увеличение температуры воздуха по мере подъёма вверх (а не её уменьшение, как это происходит обычно) и сильное уменьшение влажности с высотой.

В тропосфере постоянно присутствуют малые случайные колебания температуры и влажности. Коэффициент преломления воздуха зависит от этих величин, поэтому радиоволны рассеиваются неоднородностями ионосферы. Это рассеянное поле наблюдается далеко за горизонтом. Существенно, что, несмотря на малое значение напряжённости поля и его флуктуации, в среднем напряжённость поля за горизонтом отличается большим постоянством. Явление рассеяния волн тропосферными неоднородностями называют дальним тропосферным распространением радиоволн.

Для линий тропосферного рассеяния могут быть использованы метровых, дециметровых и часть сантиметровых волн.

Несомненное достоинство тропосферных линий связи – возможность передачи по ним широкополосных сигналов, т.е. организация многоканальных систем связи. Кроме того, эта связь не требует смены длины волны в течение суток. Тропосферные линии связи успешно конкурируют в труднодоступной местности с кабельными линиями. Тропосферные станции могут образовывать радиорелейные системы передачи с интервалом между станциями до 300-500 км.

Дальнее распространение волн УКВ диапазона возможно также за счёт их рассеяния на неоднородностях ионосферы. Здесь рассеяние происходит в слое D или в нижней части слоя Е за счёт неоднородности электронной концентрации. Наибольшая неоднородность поля наблюдается в диапазоне 30-60МГц при длине трассы 800-2000 км. Для ионосферных линий связи характерны замирания, сезонные и суточные изменения уровня. Искажения сигнала ограничивают ширину спектра передаваемых сигналов полосой в несколько килогерц, поэтому телевизионные и групповые сигналы многоканальных систем по ним не могут передаваться.

Преимуществом связи на метровых волнах за счёт ионосферного рассеяния является возможность работы круглосуточно на одной частоте. Ионосферное рассеяние целесообразно использовать для связи с труднодоступными районами. В периоды ионосферных возмущений, особенно характерных для арктических широт, когда связь в диапазоне декаметровых волн с отражением от слоя F2 прекращается, неоднородности в нижних областях ионосферы возрастают и ионосферная связь даже улучшается.

ВОПРОСЫ.

1. Что влияет на ослабление радиоволны в воздушном пространстве.

2. Когда радиоволна вызывает нагрев почвы и из-за чего это происходит.

3. Где увеличивается дальность радиосвязи на суше или море.

4. Атмосфера и её состав.

5. Состав ионосферы.

6. Влияние ионосферы на распространение радиоволн.

7. Расчёт дальности распространения радиоволны на расстояние прямой видимости при заданной высоте расположения передающей и приёмной антенн.

8. Наличие какого элемента системы необходимо для осуществления связи на дальние расстояния.

9. Понятие интерференция.

10. Преимущества связи на метровых волнах.

11. Достоинства тропосферных линий связи.

Последнее изменение этой страницы: 2019-04-10; Просмотров: 764; Нарушение авторского права страницы

Источник

Влияние атмосферы на распространение радиоволн

Особенности распространения радиоволн в атмосфере Земли. Понятие стандартной тропосферы, ее электрические параметры. Механизм возникновения рефракции радиоволн в тропосфере. Определение радиуса возникновения радиоволны. Затухание радиоволн в тропосфере.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Влияние атмосферы на распространение радиоволн

Вступление

В однородной по составу атмосфере давление с высотой изменяется по барометрической формуле:

Плотность атмосферы при постоянной температуре изменяется так же, как и давление, однако в действительности состав воздуха и температура меняются с высотой, что приводит к отклонению распределения давления и плотности атмосферы от значений, даваемых барометрической формулой.

При исследовании влияния атмосферы Земли на распространение радиоволн принято рассматривать три различающиеся по высоте области: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко, и зависят от географической широты места точки наблюдения, сезона и времени суток. Так, тропосфера простирается до высот порядка 15 км в районе экватора, 10-12 км в средних широтах и 8 км в приполярных районах. Стратосфера расположена выше тропосферы и достигает высоты 50-60 км. Выше стратосферы, вплоть до верхней границы атмосферы, располагается ионосфера.

1. Электрические параметры тропосферы. Понятие стандартной (нормальной) тропосферы

Прямые измерения и подсчеты показывают, что относительная диэлектрическая проницаемость тропосферы близка к единице, относительная магнитная проницаемость принимается равной единице, удельная электропроводность равна нулю, а полная плотность тока имеет две составляющие: смещения и поляризации.

Рассматривая тропосферу как изотропную среду, состоящую из смеси сухого воздуха и паров воды, можно выразить ее относительную диэлектрическую проницаемость в виде:

Поскольку механизмы поляризации молекул газа, не имеющих дипольного момента, и паров воды, имеющих дипольный момент под воздействием вектора напряженности электрического поля радиоволны, различны, то, основываясь на экспериментальных измерениях указанных диэлектрических восприимчивостей, выражение для относительной диэлектрической проницаемости тропосферы записывается в виде:

Учитывая то обстоятельство, что коэффициент преломления среды при отсутствии потерь и относительной магнитной проницаемости, равной единице, выражается в виде

выражение для n приобретает вид:

Как отсюда видно, коэффициент преломления очень мало отличается от единицы, поэтому для удобства вычислений вводят понятие приведенного коэффициента преломления или так называемый индекс рефракции N.

Индекс рефракции, измеряемый в N-единицах, так же как температура, давление и влажность изменяется с высотой. Для описания характера изменения индекса рефракции используют различные модели. Основным параметром этих моделей является зависимость среднего профиля индекса рефракции от высоты. Дополнительно принято рассматривать наличие отклонений от среднего, вызванных слоистыми неоднородностями и турбулентными флюктуациями среды. Поскольку метеорологические параметры весьма изменчивы, то при изучении распространения радиоволн в тропосфере принята модель, которая носит название нормальной тропосферы и соответствует среднему ее состоянию. В этой модели давление, равное 0.01 МПа у поверхности Земли, убывает с высотой на 12 кПа/км; температура у поверхности Земли T = 288 К убывает с высотой на 5.5 град/км; относительная влажность равна 60% и не меняется с высотой. Верхняя граница тропосферы при этом равна 11 км.

Для нормальной тропосферы средний профиль индекса рефракции аппроксимируют экспоненциальной зависимостью:

Гораздо чаще при изучении распространения радиоволн у поверхности Земли используют более простую, линейную аппроксимацию зависимости индекса рефракции от высоты:

2. Рефракция радиоволн в тропосфере

Рассмотрим механизм возникновения рефракции и определим радиус возникновения и определим радиус возникновения радиоволны, полагая, что изменение электрических параметров тропосферы соответствует нормальной тропосфере (индекс рефракции уменьшается с высотой). Для этого разобьем условно все толщу тропосферы по высоте на бесконечно большое число сферических, концентричных земной поверхности слоев, таких, чтобы в пределах каждого диэлектрическая проницаемость могла рассматриваться как постоянная величина. Тогда в каждом слое траектория волны будет прямолинейной, а при переходе от слоя к слою происходит ее преломление. Причем поскольку волна (при распространении ее от поверхности Земли) переходит из оптически более плотной в оптически менее плотную среду (т.к. диэлектрическая проницаемость убывает с высотой), то отклонение траектории происходит в направлении границы раздела слоев. Если число слоев разбиения устремить к бесконечности, то траектория волны превращается в плавную кривую.

Уравнение траектории волны в сферически неоднородной среде в приближении геометрической оптики имеет вид:

Если считать, что профиль индекса рефракции для приземного слоя тропосферы, как отмечалось выше, описывается линейной зависимостью, то траектория волны является примерно дуговой окружностью, радиус которой с определяется вертикальным градиентом индекса рефракции (диэлектрической проницаемости, коэффициента преломления):

Для учета влияния атмосферной рефракции на величину напряженности поля при распространении радиоволн вблизи поверхности Земли оказывается удобным ввести понятие эквивалентного радиуса Земли.

Это понятие вводится исходя из предположения, что распространение радиоволн происходит в одной тропосфере по прямолинейным траекториям с постоянной скоростью, но над сферической поверхностью большего радиуса, так, чтобы относительная высота траектории над поверхностью оставалась постоянной.

Выражение для эквивалентного радиуса Земли, полученное с использованием рассмотренного подхода, имеет вид:

Замена истинного радиуса Земли на эквивалентный позволяет использовать в реальных условиях все соотношения для расчета напряженности поля либо множителя ослабления, полученные ранее в предположении однородной тропосферы. В частности, выражение для определения расстояния прямой видимости, которое является базовым для многих расчетных формул, принимает вид:

При условии внесистемных единиц для условий нормальной тропосферной рефракции, при которой эквивалентный радиус Земли равен 8500 км,

Если сравнить эти выражения, то окажется, что нормальная тропосферная рефракция увеличивает дальность прямой видимости на 15%.

4. Основные виды тропосферной рефракции

Под влиянием различных метеорологических условий в реальной тропосфере профиль индекса рефракции может значительно отличаться от стандартного профиля. В связи с этим принято рассматривать несколько типичных видов тропосферной рефракции, которые классифицируются по величине и знаку градиента индекса рефракции (диэлектрической проницаемости, коэффициента преломления):

— при рефракция называется отрицательной, или субрефракцией, радиус кривизны траектории волны с отрицателен, траектория направлена выпуклостью вниз, эквивалентный радиус Земли меньше истинного радиуса;

— при рефракция отсутствует, с стремится к бесконечности, траектория волны прямолинейна, эквивалентный радиус равен истинному радиусу;

Положительная рефракция, в свою очередь, подразделяется на:

Источник