Лекція № 12: “Фактори впливу на поширення радіохвиль при використанні антенних пристроїв”
1. Поширення хвиль над плоскою поверхнею Землі
Вплив земної поверхні на поширення радіохвиль можна враховувати тоді, коли передавальна й приймальня антени підняті над однорідною земною поверхнею на висоту кілька довжин хвиль. Практично підняти антену на таку висоту можна тільки в діапазоні УКВ.
На границі розділу повітря - земля відбувається відбиття хвилі, причому напруженість електричного поля відбитої хвилі визначається за допомогою коефіцієнтів відбиття, які у свою чергу визначаються властивостями поверхні, що відбиває. Поле в місці прийому є результатом інтерференції полів прямій хвилі й хвилі відбитої від земної поверхні рис.1.
В
А
 
С
Рис. 1.
Шляхом геометричних розрахунків модуль напруженості електричного поля в точці В визначають як
 ,
де R – коефіцієнт відбиття;
- кут падіння хвилі на поверхню;
 – фаза відбитої хвилі;
Е1m – напруженість електричного поля прямої хвилі.
Наведена формула зветься інтерференційної. Використовуючи цю формулу можна розрахувати напруженість поля в точці прийому для різних типів випромінювачів.
2. Інтерференційна формула Введенського
Найбільш важливим для практики поширенням УКВ уздовж поверхні землі у випадку пологих променів ( ), інтерференційна формула спрощується й приводиться до виду
 , мВ/м ,
де: Im – струм в антени в амперах;
lан – розміри антени в метрах; l - відстань між А и В км .
Ця формула була вперше отримана Б.А. Введенським та наглядно характеризує залежність напруженості поля від відстані, довжини хвилі та висоти розташування антен.
3. Відстань прямої видимості між антенами
При значних відстанях між передавачем і приймачем варто враховувати сферичність Землі. Важливою характеристикою лінії зв'язку в цьому випадку є відстань прямої видимості. Це така відстань між передавальною й приймальнею антенами, при якому пряма лінія, що з'єднує ці антени, стосується земної поверхні рис.2.2.
 
А В
 С
Рис.2.
Відстань прямої видимості L0 можна визначити як
або
Емпірично встановлено, що  в кілометрах визначається вираженням
4. Будова й состав атмосфери
Атмосферу поділяють за висотою на три області: тропосферу, стратосферу та іоносферу. Нижні шари атмосфери до висот 7 ÷ 10 км в полярних районах та до 16-18 км над екватором називають тропосферою. Тропосфера переходить в стратосферу, верхня межа якої знаходиться на висоті 50-60 км. Стратосфера відрізняється від тропосфери майже повною відсутністю водяного пару. Опади утворюються тільки в тропосфері. Тропосфера та стратосфера впливають тільки на розповсюдження УКХ. Починаючи з висоти приблизно 60 км, гази в атмосфері іонізовані й тут є присутнім значна кількість вільних електронів і іонів.
На висоті до 100 км атмосфера має такий же состав, як у поверхні землі, і складається з молекулярного азоту - 78 %, молекулярного кисню - 21 % і 1 % інших домішок (пари води, водень, вуглекислий газ, озон та ін.). У цій області атмосфери відбувається інтенсивне перемішування газів, завдяки пануючим тут повітряним плинам. На висоті більше 100 км під дією сонячної радіації відбувається розщеплення молекул кисню й азоту на атоми. У цій області висот гази не перемішуються й розташовуються шарами відповідно до їхньої молекулярної ваги.
5. Щільність атмосфери та її температура
Щільність атмосфери характеризується числом молекул, що втримуються в одному кубічному сантиметрі повітря на даній висоті над рівнем моря, і пов'язана з тиском і температурою. Щільність атмосфери на даній висоті пропорційно тиску вище лежачого шару атмосфери, так що щільність при постійній температурі розподілена по висоті так само, як атмосферний тиск. У дійсності ж температура й состав повітря міняється з висотою, що приводить до відхилення в розподілі тиску й щільності по висоті.
Поблизу земної поверхні температура убуває зі збільшенням висоти, тому що в цій області нагрівання повітря відбувається за рахунок нагрітої сонцем землі. Звичайно температура убуває на 5 ÷ 6°С на км.
На висотах порядку 15 км, верхня границя атмосфери, починається припинення падання температури й аж до висот порядку 25 км температура залишається постійної приблизно 2250К. Починаючи із цієї висоти, температура підвищується, досягаючи максимуму (3000К) на висоті 50 ÷ 60 км, потім знову знижується аж до висоти близько 80 км і після цього другого мінімуму плавно зростає, досягаючи 2000 ÷ 30000К на висоті – 500 ÷ 600 км.
Зростання температури з висотою в області іоносфери пояснюється тим, що нагрівання повітря тут відбувається безпосередньо за рахунок випромінювання Сонця.
Максимум у кривої розподіли температури, на висотах 50 ÷ 60 км, пояснюється присутністю озону на цій висоті. Озон інтенсивно поглинає ультрафіолетове випромінювання Сонця в діапазоні близько 0,2 мкм і приводить до підвищення температури в цій частині атмосфери рис.3.1.
Діелектрична проникність тропосфери тільки приблизно може вважатися рівної електричної постійної  , Ф/м .
Тому відносна діелектрична проникність тропосфери не дорівнює 1, а трохи більше й залежить від тиску, температури й вологості повітря  .
Значення дуже ненабагато перевищує одиницю, а втрати в тропосфері істотні тільки в діапазоні сантиметрових і більше коротких хвилях.
Коефіцієнт переломлення тропосфери не залежить від частоти для хвиль більше 1 см. Для хвиль міліметрового діапазону істотно позначаються втрати, що враховується шляхом введення комплексної діелектричної проникності повітря.
На практиці частіше застосовують величину N = (n - 1) 106, називаної індексом переломлення тропосфери, де n - коефіцієнт переломлення тропосфери.
У середньому значення N змінюється з висотою лінійно, причому для середніх широт градієнт зміни N з висотою становить
d/dh = -40 1/км.
Умови, при якому N змінюється за таким законом, відповідає так називаній нормальній тропосфері.
У реальних умовах часто спостерігається нерегулярна зміна метеорологічних параметрів, що приводить до складної залежності N від висоти.
При розподілі радіохвиль у тропосфері ослаблення напруженості поля випробовують тільки радіохвилі дециметрового й більше короткохвильових діапазонів.
Ослаблення напруженості поля радіохвиль пов'язане із частковим перетворенням електромагнітної енергії в інші види енергії й з розсіюванням.
Основною причиною поглинання радіохвиль у тропосфері є наявність крапель води, присутніх тут у вигляді тумана або дощу.
У краплях води відбуваються як теплові втрати, так і розсіювання радіохвиль.
Відмінність коефіцієнта переломлення тропосфери від 1 і зміна його з висотою істотно впливають на поширення радіохвиль, особливо в діапазоні УКХ.
Розіб'ємо подумки тропосферу на тонкі сферичні шари, у межах кожного з яких коефіцієнт переломлення будемо вважати незмінним рис.3.2.
Рис.3.2
Використовуючи закон заломлення послідовно к сусіднім ділянкам, одержуємо:
 ,
де  - коефіцієнти заломлення відповідно сусідніх ділянок тропосфери.
Звідси, траєкторія радіохвилі визначається виразом  .
У результаті цього хвиля рухається по траєкторії, що має вид ламаної лінії. Якщо товщину шарів зменшити й перейти до плавної зміни коефіцієнта переломлення, то ламана лінія буде прагнути до деякої кривої.
Таким чином, при проходженні хвилі в неоднорідному середовищі її траєкторія викривляється. Це явище зветься рефракції.
Причому радіус кривизни траєкторії хвилі в тропосфері залежить тільки від швидкості зміни коефіцієнта переломлення по висоті, тобто
= f(dn/dh) .
Якщо показник заломлення n змінюється лінійно на висоті, то радіус кривизни траєкторії не змінюється з висотою й траєкторія являє собою окружність.
Для спрощення розрахунків при обліку впливу тропосфери, у деяких випадках виявляється зручним звести поширення хвиль по криволінійній траєкторії до поширення хвилі по прямолінійній траєкторії. Таке спрощення виробляється шляхом введення поняття еквівалентного радіуса Землі R0 = Rекв.
При цьому картину поширення хвиль по криволінійній траєкторії поблизу реальної земної поверхні, заміняють картиною поширення хвиль по прямолінійній траєкторії поблизу поверхні землі зі зміненим радіусом R0' = Rекв рис.3.
 
Рис.3.
Відношення еквівалентного радіуса Землі до дійсного позначають через К и визначають як:
К = Rекв/R0 = (dn/dh) .
Якщо n міняється з висотою лінійно, то К 4/3.
Така рефракція називається нормальною тропосферною рефракцією.
Вплив рефракції на поширення радіохвиль необхідно враховувати при поширенні порівняно протяжних трас, на яких ураховується вплив кривизни земної поверхні.
Наприклад:
- при визначенні відстані прямої видимості з урахуванням рефракції;
- визначення напруженості поля у випадку використання інтерференційних формул при обліку сферичності Землі.
На практиці часто зустрічаються випадки, коли показник переломлення атмосфери змінюється з висотою за законом, відмінному від випадку нормальної атмосферної рефракції.
Зниження показника переломлення з висотою відбувається не плавно: на окремих ділянках убування n виявляється більше різким, на інші спостерігається зростання n з висотою.
Залежно від градієнта n по висоті dn/dh, рефракції класифікують у такий спосіб.
1. Негативна атмосферна рефракція (dn/dh) 0. У цьому випадку показник переломлення зростає з висотою, і траєкторія звернена опуклістю вниз рис.3.4.а. Еквівалентний радіус Землі виявляється менше дійсного. Це приводить до зменшення напруженості поля в точці прийому.
а) Рис.4. б)
2. Позитивна атмосферна рефракція dn/dh0.
Коефіцієнт переломлення убуває з висотою, і траєкторія звернена опуклістю нагору.
При цьому розрізняють три частки випадку:
а) Нормальна атмосферна рефракція, коли dn/dh = -40· 10-5 1/км и Rекв = 4/3· R0. Напруженість поля в точці прийому більше, чим при відсутності рефракції рис. 3.4б.
б) Критична атмосферна рефракція, коли dn/dh = -1/R0 .
Еквівалентний радіус Землі Rекв , тобто еквівалентна земна поверхня представляється плоскої. Хвиля рухається паралельно цієї поверхні на постійній висоті рис.5.а
а) б)
Рис.5.
в) Надрефракція, коли dn/dh 1/R0 .
Наступає повне внутрішньо відбиття хвилі в тропосфері й промінь повертається на земну поверхню. Еквівалентний радіус Землі виявляється негативним, так що хвиля, що має еквівалентну прямолінійну траєкторію, обов'язково зустрінеться з увігнутою поверхнею Землі. У цьому місці хвиля відбивається від земної поверхні й може поширюватися шляхом послідовного відбиття від тропосфери й Землі на великі відстані рис.3.5.б. Умови, необхідні для появи надрефракції, пов'язані з метеорологічним режимом. Різке убування коефіцієнта переломлення з висотою найбільше часто викликається особливою зміною температури з висотою.
|