Значение слов

Радиоволны и их распространение. Школьная энциклопедия Какие радиосигналы лучше распространяются в воде

В учебниках по физике приведены заумные формулы на тему диапазона радиоволн, которые порой не до конца понятны даже людям со специальным образованием и опытом работы. В статье постараемся разобраться с сутью, не прибегая к сложностям. Первым, кто обнаружил радиоволны, был Никола Тесла. В своем времени, где отсутствовало высокотехнологичное оборудование, Тесла не до конца понимал, что это за явление, которое он впоследствии назвал эфиром. Проводник с переменным электрическим током является началом радиоволны.

Источники радиоволн

К природным источникам радиоволн относятся астрономические объекты и молнии. Искусственным излучателем радиоволн является электрический проводник с движущимся внутри переменным электрическим током. Колебательная энергия высокочастотного генератора распространяется в окружающее пространство посредством радиоантенны. Первым рабочим источником радиоволн был радиопередатчик-радиоприёмник Попова. В этом устройстве функцию выполнял высоковольтный накопитель, подключенный на антенну − вибратор Герца. Созданные искусственным способом радиоволны применяются для стационарной и мобильной радиолокации, радиовещания, радиосвязи, спутников связи, навигационных и компьютерных систем.

Диапазон радиоволн

Применяемые в радиосвязи волны находятся в диапазоне частот 30 кГц − 3000 ГГц. Исходя из длины и частоты волны, особенностей распространения, диапазон радиоволн подразделяется на 10 поддиапазонов:

СДВ - сверхдлинные.
ДВ - длинные.
СВ - средние.
КВ - короткие.
УКВ - ультракороткие.
МВ - метровые.
ДМВ - дециметровые.
СМВ - сантиметровые.
ММВ - миллиметровые.
СММВ - субмиллиметровые

Диапазон частот радиоволн

Спектр радиоволн условно поделен на участки. В зависимости от частоты и длины радиоволны подразделяются на 12 поддиапазонов. Диапазон частот радиоволн взаимосвязан с частотой переменного тока сигнала. радиоволн в международном регламенте радиосвязи представлены 12 наименованиями:

При увеличении частоты радиоволны ее длина уменьшается, при уменьшении частоты радиоволны - увеличивается. Распространение в зависимости от своей длины - это важнейшее свойство радиоволны.

Распространение радиоволн 300 МГц − 300 ГГц называют сверхвысокими СВЧ вследствие их довольно высокой частоты. Даже поддиапазоны очень обширны, поэтому они, в свою очередь, поделены на промежутки, в которые входят определенные диапазоны телевизионные и радиовещательные, для морской и космической связи, наземной и авиационной, для радиолокации и радионавигации, для передачи данных медицины и так далее. Несмотря на то что весь диапазон радиоволн разбит на области, обозначенные границы между ними являются условными. Участки следуют друг за другом непрерывно, переходя один в другой, а иногда и перекрываются.

Особенности распространения радиоволны

Распространение радиоволн - это передача энергии переменным электромагнитным полем из одного участка пространства в другой. В вакууме радиоволна распространяются со При воздействии окружающей среды на радиоволны распространение радиоволн может быть затруднено. Это проявляется в искажении сигналов, изменении направления распространения, замедлении фазовой и групповой скоростях.

Каждая из разновидностей волн применяется по-разному. Длинные лучше могут обходить преграды. Это означает, что диапазон радиоволн может распространяться по плоскости земли и воды. Применение длинных волн широко распространено в подводных и морских суднах, что позволяет быть на связи в любой точке местонахождения в море. На в шестьсот метров с частотой пятьсот килогерц настроены приемники всех маяков и спасательные станций.

Распространение радиоволн в различных диапазонах зависит от их частоты. Чем меньше длина и выше частота, тем прямее будет путь волны. Соответственно, чем меньше ее частота и больше длина, тем она более способна огибать преграды. Каждый диапазон длин радиоволн обладает своими особенностями распространения, однако на границе соседних диапазонов резкого изменения отличительных признаков не наблюдается.

Характеристика распространения

Сверхдлинные и длинные волны огибают поверхность планеты, распространяясь поверхностными лучами на тысячи километров.

Средние волны подвержены более сильному поглощению, поэтому способны преодолевать расстояние лишь 500-1500 километров. При уплотнении ионосферы в данном диапазоне возможна передача сигнала пространственным лучом, который обеспечивает связь на несколько тысяч километров.

Короткие волны распространяются лишь на близкие расстояния вследствие поглощения их энергии поверхностью планеты. Пространственные же способны многократно отражаться от земной поверхности и ионосферы, преодолевать большие расстояния, осуществляя передачу информации.

Сверхкороткие способны передавать большой объем информации. Радиоволны этого диапазона проникают сквозь ионосферу в космос, поэтому для целей наземной связи практически непригодны. Поверхностные волны этих диапазонов излучаются прямолинейно, не огибая поверхность планеты.

В оптических диапазонах возможна передача гигантских объемов информации. Чаще всего для связи используется третий диапазон оптических волн. В атмосфере Земли они подвержены затуханию, поэтому в реальности передают сигнал на расстояние до 5 км. Зато использование подобных систем связи избавляет от необходимости получать разрешения от инспекций по электросвязи.

Принцип модуляции

Для того чтобы передать информацию, радиоволну нужно модулировать сигналом. Передатчик испускает модулированные радиоволны, то есть измененные. Короткие, средние и длинные волны имеют амплитудную модуляцию, поэтому они обозначаются как АМ. Перед модуляцией несущая волна движется с постоянной амплитудой. Амплитудная модуляция для передачи изменяет ее по амплитуде, соответственно напряжения сигнала. Амплитуда радиоволны изменяется прямо пропорционально напряжению сигнала. Ультракороткие волны имеют частотную модуляцию, поэтому они обозначаются как ЧМ. накладывает дополнительную частоту, которая несет информацию. Для передачи сигнала на расстояние его нужно промодулировать более высокочастотным сигналом. Для принятия сигнала нужно отделить его от поднесущей волны. При частотной модуляции помех создается меньше, однако радиостанция вынуждена вещать на УКВ.

Факторы, влияющие на качество и эффективность радиоволн

На качество и эффективность приема радиоволн влияет метод направленного излучения. Примером может послужить спутниковая антенна, которая направляет излучение в точку нахождения установленного приемного датчика. Этот метод позволил существенно продвинуться в области радиоастрономии и сделать множество открытий в науке. Он открыл возможности создания спутникового вещания, беспроводным методом и многое другое. Выяснилось, что радиоволны способны излучать Солнце, многие планеты, находящиеся вне нашей Солнечной системы, а также космические туманности и некоторые звезды. Предполагается, что за пределами нашей галактики существуют объекты, обладающие мощными радиоизлучениями.

На дальность радиоволны, распространение радиоволн оказывают влияние не только солнечное излучение, но и метеоусловия. Так, метровые волны, по сути, не зависят от метеоусловий. А дальность распространения сантиметровых сильно зависит от метеоусловий. Происходит из-за того, что водной среде во время дождя или при повышенном уровне влажности в воздухе короткие волны рассеиваются или поглощаются.

Также на их качество влияют и препятствия, оказывающиеся на пути. В такие моменты происходит замирание сигнала, при этом значительно ухудшается слышимость или вообще пропадает на несколько мгновений и более. Примером может послужить реакция телевизора на пролетающий самолет, когда мигает изображение и появляются белые полосы. Это происходит за счет того, что волна отражается от самолета и проходит мимо антенны телевизора. Такие явления с телевизорами и радиопередатчиками чаще происходят в городах, поскольку диапазон радиоволн отражается на зданиях, высотных башнях, увеличивая путь волны.

Законы распространения радиоволн в свободном пространстве сравнительно просты, но чаще всего радиотехника имеет дело не со свободным пространством, а с распространением радиоволн над земной поверхностью. Как показывает и опыт и теория, поверхность Земли сильно влияет на распространение радиоволн, причем сказываются как физические свойства поверхности пример, разлития между морем и сушей), так и ее геометрическая форма (общая кривизна поверхности например, различия между морем и сушей), так и ее геометрическая форма (общая кривизна поверхности земного шара и отдельные неровности рельефа - горы, ущелья и т. п.). Влияние это различно для волн разной длины и для волн разной длины и для разных расстояний между передатчиком и приемником.

Влияние, оказываемое на распространение радиоволн формой земной поверхности, понятно из предыдущего. Ведь мы имеем здесь, в сущности, разнообразные проявления дифракции идущих от излучателя волн (§ 41),- как на земном шаре в целом, так и на отдельных особенностях рельефа. Мы знаем, что дифракция сильно зависит от соотношения между длиной волны и размерами тела, находящегося на пути волны. Неудивительно поэтому, что кривизна земной поверхности и ее рельеф по-разному сказываются на распространении волн различной длины.

Так, например, горная цепь отбрасывает «радиотень» в случае коротких волн, в то время как достаточно длинные (в несколько километров) волны хорошо огибают это препятствие и на горном склоне, противоположном радиостанции, ослабляются незначительно (рис. 147).

Рис. 147. Гора отбрасывает «радиотень» в случае коротких волн. Длинные волны огибают гору

Что касается земного шара в целом, то он чрезвычайно велик даже по сравнению с наиболее длинными волнами, применяемыми в радио. Очень короткие волны, например метровые, вообще не заворачивают сколько-нибудь заметно за горизонт, т. е. за пределы прямой видимости. Чем волны длиннее, тем лучше они огибают поверхность земного шара, но и самые длинные из применяемых волн не могли бы благодаря дифракции завернуть так сильно, чтобы обойти вокруг земного шара - от нас к антиподам. Если, тем не менее, радиосвязь осуществляется между любыми точками земного шара, причем на волнах самой различной длины, то это возможно не из-за дифракции, а по совсем другой причине, о которой мы скажем немного дальше.

Влияние физических свойств земной поверхности на распространение радиоволн связано с тем, что под воздействием этих волн в почве и в морской воде возникают электрические токи высокой частоты, наиболее сильные вблизи антенны передатчика. Часть энергии радиоволны расходуется на поддержание этих токов, выделяющих в почве или воде соответствующее количество джоулева тепла. Эти потери энергии (а значит, и ослабления волны из-за потерь) зависят, с одной стороны, от проводимости почвы, а с другой - от длины волны. Короткие волны затухают значительно сильнее, чем длинные. При хорошей проводимости (морская вода) высокочастотные токи проникают на меньшую глубину от поверхности, чем при плохой (почва), и потери энергии в первом случае существенно меньше. В результате дальность действия одного и того же передатчика оказывается при распространении волн над морем значительно (в несколько раз) большей, чем при распространении над сушей.

Мы уже отметили, что распространение радиоволн на очень большие расстояния нельзя объяснить дифракцией вокруг земного шара. Между тем дальняя радиосвязь (на несколько тысяч километров) была осуществлена уже в первые годы после изобретения радио. В настоящее время каждый радиолюбитель знает, что длинноволновые ( больше ) и средневолновые станции зимними ночами слышны па расстоянии многих тысяч километров, в то время как днем, особенно в летние месяцы, эти же станции слышны на расстоянии всего в несколько сот километров. В диапазоне коротких волн положение иное. Здесь в любое время суток и любое время года можно найти такие длины волн, на которых надежно перекрываются любые расстояния. Для обеспечения круглосуточной связи при этом приходится в разное время суток работать на волнах различной длины. Зависимость дальности распространения радиоволн от времени года и суток заставила связать условия распространения радиоволн на Земле с влиянием Солнца. Эта связь в настоящее время хорошо изучена и объяснена.

Солнце испускает наряду с видимым светом сильное ультрафиолетовое излучение и большое количество быстрых заряженных частиц, которые, попадая в земную атмосферу, сильно ионизуют ее верхние области. В результате образуется несколько слоев ионизованных газов, расположенных на различных высотах .

Наличие таких следов дало основание к тому, чтобы назвать верхние слои земной атмосферы ионосферой.

Присутствие ионов и свободных электронов придает ионосфере свойства, резко отличающее ее от остальной атмосферы. Сохраняя способность пропускать видимый свет, инфракрасное излучение и метровые радиоволны, ионосфера сильно отражает более длинные волны; для таких волн ( больше ) земной шар оказывается окруженным как бы сферическим «зеркалом», и роспространение этих радиоволн происходит между двумя отражающими сферическими поверхностями-поверхностью Земли и «поверхностью» ионосферы (рис. 148). Именно поэтому радиоволны получают возможность огибать земной шар.

Рис. 148. Волна идет между Землей и ионосферой

Конечно, не следует понимать слова «поверхность сферического зеркала ионосферы» буквально. Никакой резкой границы у ионизованных слоев нет, правильная сферическая форма тоже не соблюдается (по край ней мере, одновременно вокруг всего земного шара); ионизация различна в разных слоях (в верхних она больше, чем в нижних), и сами слои состоят из непрерывно движущихся и меняющихся «облаков». Такое неоднородное «зеркало» не только отражает, но и поглощает и рассеивает радиоволны, причем опять-таки различно в зависимости от длины волны. Кроме того, свойства «зеркала» меняются с течением времени. Днем при действии солнечного излучения ионизации значительно больше, чем ночью, когда происходит только воссоединение положительных ионов и отрицательных электронов в нейтральные молекулы (рекомбинация). Особенно велико различие в ионизации днем и ночью в нижних слоях ионосферы. Здесь плотность воздуха выше, столкновения между ионами и электронами происходят чаще и рекомбинация протекает более интенсивно. В течение ночи ионизация нижних слоев ионосферы может успеть упасть до нуля. Ионизация различна и в зависимости от времени года, т, е. от высоты подъема Солнца над горизонтом.

Изучение суточных и сезонных изменений состояния ионосферы позволило не только объяснить, но и предсказывать условия прохождения радиоволн различной длины в разное время суток и года (радиопрогнозы).

Наличие ионосферы не только делает возможной коротковолновую связь на большие расстояния, но и позволяет радиоволнам иногда обогнуть весь земной шар, и даже несколько раз. Из-за этого возникает своеобразное явление при радиоприеме, так называемое радиоэхо, при котором сигнал воспринимается приемником несколько раз: после прихода сигнала по кратчайшему пути от передатчика могут быть слышны повторные сигналы, обогнувшие земной шар.

Часто случается, что волна доходит от передатчика к приемнику по нескольким различным путям, испытав различное число отражений от ионосферы и земной поверхности (рис. 149). Очевидно, волны, идущие от одного и того же передатчика, когерентны и могу интерферировать в месте приема, ослабляя или усиливая друг друга в зависимости от разности хода. Так как ионосфера не является абсолютно устойчивым «зеркалом», а меняется с течением времени, то меняется и разность хода волн, пришедших по разным путям от передатчика к приемнику, в результате чего усилением и т.д. Можно сказать, что интерференционные полосы «ползают» над поверхностями Земли, и приемник оказывается то в максимуме, то в минимуме колебаний. В принимаемой передаче получается при этом смена хорошей слышимости и замираний приема, при которых слышимость может падать до нуля.

Рис. 149. Различные пути волны от передатчика к приемнику

Аналогичное явление наблюдается на экране телевизора, если над окрестностью приемной антенны пролетает самолет. Отраженная самолетом радиоволна интерферирует с волной от передающей станции, и мы видим, как изображение «мигает» из-за того, что интерференционные «полосы» поочередного усиления и ослабления сигнала пробегают (из-за движения самолета) мимо приемной антенны.

Заметим, что при приеме телевизионной передачи в городе довольно часто наблюдается удвоение (и даже «размножение») изображения на экране кинескопа: оно состоит из двух или несколько изображений, в различной степени сдвинутых по горизонтали друг относительно друга. Это результат отражения радиоволны от домов, башен и т.п. Отраженные волны проходят более длинный путь, чем расстояние между передающей и приемной антеннами, и поэтому запаздывают, давая картину. сдвинутую в направлении развертки электронного пучка в кинескопе. В сущности, мы здесь воочию наблюдаем результат распространения радиоволн с конечной скоростью .

Прозрачность ионосферы для радиоволн, длина которых меньше , позволила обнаружить радиоизлучение, приходящее от внеземных источников. Возникла и с 40-х гг. нашего века быстро развивается радиоастрономия, открывшая новые возможности для изучения Вселенной, сверх тех, какими располагает обычная (оптическая) астрономия. Строится все больше радиотелескопов, увеличиваются размеры их антенн, повышается чувствительность приемников и в результате непрерывно возрастает количество и разнообразие открытых внеземных радиоисточников.

Оказалось, что радиоволны излучают и Солнце, и планеты, а за пределами нашей Солнечной системы – многие туманности и так называемые сверхновые звезды. Множество источников радиоизлучения открыто вне нашей звездной системы (Галактики). В основном – это другие галактические системы, причем лишь, небольшая их доля отождествлена с оптически наблюдаемыми туманностями. «Радиогалактики» обнаружены и на таких больших расстояниях от нас (многие миллиарды лет), которые находятся за пределами досягаемости самых сильных современных оптических телескопов. Были открыты интенсивные источники радиоизлучения, обладающие очень малыми угловыми размерами (доли угловой секунды). Первоначально их считали особого рода звездами, принадлежащими нашей Галактике, и поэтому назвали квазизвездными источниками или квазарами. Но с 1962 г. Стало ясно, что квазары – это внегалактические объекты с огромной мощностью радиоизлучения.

Отдельные, или, как говорят, дискретные радиоисточники нашей Галактики излучают широкий спектр длин волн. Но было обнаружено и «монохроматическое» радиоизлучение с длиной волны , испускаемое межзвездным водородом. Исследование этого излучения позволило найти общую массу межзвездного водорода и установить, как он распределен по Галактике. В самое последнее время удалось обнаружить монохроматическое радиоизлучение на длинах волн, свойственных другим химическим элементам.

К всех источников радиоизлучения, о которых говорилось выше, интенсивность очень постоянна. Лишь в некоторых случаях (в частности, у Солнца) наблюдаются на общем постоянном фоне отдельные беспорядочные вспышки радиоизлучения. 1968 г. был ознаменован новым радиоастрономическим открытием большого значения: были обнаружены источники (находящиеся в большинстве своем в пределах Галактики), излучающие строго периодические импульсы радиоволн. Эти источники получили название пульсаров. Периоды повторения импульсов у разных пульсаров различны и доставляют от нескольких секунд до несколько сотых долей секунды и даже меньше. Характер радиоизлучения пульсаров получает, по-видимому, наиболее правдоподобное объяснение, если допустить, что пульсары - это вращающиеся звезды, состоящие в основном из нейтронов (нейтронные звезды). В обнаружении и возможности наблюдения таких звезд и состоит большое научное значение этого радиоастрономического открытия.

Кроме приема собственного радиоизлучения тел Солнечной системы, применяется также их радиолокация. Это так называемая радиолокационная астрономия. Принимая отраженные от какой-либо из планет радиосигналы мощных локаторов, можно очень точно измерять расстояние до этой планеты, оценивать скорость ее вращения вокруг оси и судить (по интенсивности отражения радиоволн различной длины) о свойствах поверхности и атмосферы планеты.

Отметим в заключение, что прозрачность ионосферы для достаточно коротких радиоволн позволяет также осуществлять все виды радиосвязи с искусственными спутниками Земли и космическими кораблями (собственно связь, радиоуправление, телевидение, а также телеметрия – передача на Землю показаний различных измерительных приборов). По той же причине можно использовать теперь метровые радиоволны для связи и телевидения между сильно удаленными друг от друга пунктами земной поверхности (например, между Москвой и нашими дальневосточными городами), применяя однократную ретрансляции передач специальными спутниками, на которых установлена приемно-передающая радиоаппаратура.

Излучаемые передатчиком, прежде чем попасть в приёмник, проходят путь, который может быть сложным. Радиоволны могут достигать пункта приёма, распространяясь по прямолинейным траекториям, огибая выпуклую поверхность Земли, отражаясь от ионосферы, и т.д. Способы Распространение радиоволн существенно зависят от длины волны l, от освещённости земной атмосферы Солнцем и от ряда др. факторов (см. ниже).

Прямые волны. В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно с постоянной скоростью, подобно световым лучам (радиолучи). Такое Распространение радиоволн называется свободным. Условия Распространение радиоволн в космическом пространстве при радиосвязи между наземной станцией и космическим объектом, между двумя космическими объектами, при радиоастрономических наблюдениях, при радиосвязи наземной станции с самолётом или между самолётами близки к свободному.

Волну, излученную антенной, на больших расстояниях от неё можно считать плоской (см. Излучение и приём радиоволн ). Плотность потока электромагнитной энергии, пропорциональная квадрату напряжённости поля волны, убывает с увеличением расстояния r от источника обратно пропорционально r 2 , что приводит к ограничению расстояния, на котором может быть принят сигнал передающей станции. Дальность действия радиостанции (при отсутствии поглощения) равна: , где c - мощность сигнала на входе приёмника, Р ш - мощность шумов, G 1 , G 2 - коэффициенты направленного действия передающей и приёмной антенн. Скорость Распространение радиоволн в свободном пространстве равна скорости света в вакууме: с = 300 000 км /сек.

При распространении волны в материальной среде (например, в земной атмосфере, в толще Земли, в морской воде и т.п.) происходят изменение её фазовой скорости и поглощение энергии. Это объясняется возбуждением колебаний электронов и ионов в атомах и молекулах среды под действием электрического поля волны и переизлучением ими вторичных волн. Если напряжённость поля волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на электрон в атоме, то колебания электрона под действием поля волны происходят по гармоническому закону с частотой пришедшей волны. Поэтому электроны излучают радиоволны той же частоты, но с разными амплитудами и фазами. Сдвиг фаз между первичной и переизлучённой волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами являются причиной поглощения радиоволн. Поглощение и изменение фазовой скорости в среде характеризуются показателем поглощения c и показателем преломления n , которые, в свою очередь, зависят от диэлектрической проницаемости e и проводимости s среды, а также от длины волны l:

(1)

Коэффициент поглощения b = 2pc/l, фазовая скорость u = c /n . В этом случае r д определяется не только характеристиками передатчика, приёмника и длиной волны, но и свойствами среды (e, s). В земных условиях Распространение радиоволн обычно отличается от свободного. На Распространение радиоволн оказывают влияние поверхность Земли, земная атмосфера, структура ионосферы и т.д. Влияние тех или иных факторов зависит от длины волны.

Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн зависит от расположения радиотрассы относительно её поверхности.

Распространение радиоволн - пространственный процесс, захватывающий большую область. Но наиболее существенную роль в этом процессе играет часть пространства, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах которого А и В расположены передатчик и приёмник (рис. 1 ). Большая ось эллипсоида практически равна расстоянию R между передатчиком и приёмником, а малая ось ~. Чем меньше l, тем уже эллипсоид, в оптическом диапазоне он вырождается в прямую линию (световой луч). Если высоты Z 1 и Z 2 , на которых расположены антенны передатчика и приёмника относительно поверхности Земли, велики по сравнению с l, то эллипсоид не касается поверхности Земли (рис. 1 , а). Поверхность Земли не оказывает в этом случае влияния на Распространение радиоволн (свободное распространение). При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы эллипсоид коснётся поверхности Земли (рис. 1 , б) и на прямую волну, идущую от передатчика к приёмнику, належится поле отражённой волны. Если при Z 1 >> l и Z 2 >> l, то это поле можно рассматривать как луч, отражённый земной поверхностью по законам геометрической оптики. Поле в точке приёма определяется интерференцией прямого и отражённого лучей. Интерференционные максимумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля (рис. 2 ). Условие Z 1 и Z 2 >> l практически может выполняться только для метровых и более коротких волн, поэтому лепестковая структура поля характерна для ультракоротких волн (УКВ).

При увеличении l существенная область расширяется и пересекает поверхность Земли. В этом случае уже нельзя представлять волновое поле как результат интерференции прямой и отражённой волн. Влияние Земли на Распространение радиоволн в этом случае обусловлено несколькими факторами: земля обладает значительной электропроводностью, поэтому Распространение радиоволн вдоль поверхности Земли приводит к тепловым потерям и ослаблению волны. Потери энергии в земле увеличиваются с уменьшением l.

Помимо ослабления, происходит также изменение структуры поля волны. Если антенна у поверхности Земли излучает поперечную линейно-поляризованную волну (см. Поляризация волн ), у которой напряжённость электрического поля Е перпендикулярна поверхности Земли, то на больших расстояниях от излучателя волна становится эллиптически поляризованной (рис. 3 ). Величина горизонтальной компоненты E x значительно меньше вертикальной E z и убывает с увеличением проводимости s земной поверхности. Возникновение горизонтальной компоненты позволяет вести приём земных волн на т. н. земные антенны (2 проводника, расположенные на поверхности Земли или на небольшой высоте). Если антенна излучает горизонтально-поляризованную волну (Е параллельно поверхности Земли), то поверхность Земли ослабляет поле тем больше, чем больше s, и создаёт вертикальную составляющую. Уже на небольших расстояниях от горизонтального излучателя вертикальная компонента поля становится больше горизонтальной. При распространении вдоль Земли фазовая скорость земных волн меняется с расстоянием, однако уже на расстоянии ~ нескольких l от излучателя она становится равной скорости света, независимо от электрических свойств почвы.

Выпуклость Земли является своеобразным «препятствием» на пути радиоволн, которые, дифрагируя, огибают Землю и проникают в «область тени». Т. к. дифракция волн заметно проявляется тогда, когда размеры препятствия соизмеримы или меньше l, а размер выпуклости Земли можно охарактеризовать высотой шарового сегмента h (рис. 4 ), отсекаемого плоскостью, которая проходит через хорду, соединяющую точки расположения приёмника и передатчика (см. табл.), то условие h << l выполняется для метровых и более длинных волн. Если учесть, что с уменьшением l увеличиваются потери энергии в Земле, то практически только километровые и более длинные волны могут проникать глубоко в область тени (рис. 5 ).

Высота шарового сегмента h для различных расстояний между передатчиком и приёмником

Расстояние, км	1	5	10	50	100	500	1000	5000
h, м	0,03	0,78	3,1	78	310	7800	3,1´10 4	3,75´10 4

Земная поверхность неоднородна, наиболее существенное влияние на Распространение радиоволн оказывают электрические свойства участков трассы, примыкающих к передатчику и приёмнику. Если радиотрасса пересекает линию берега, т. е. проходит над сушей, а затем над морем (s ® ¥) , то при пересечении береговой линии резко изменится напряжённость поля (рис. 6 ), т. е. амплитуда и направление распространения волны (береговая рефракция). Однако береговая рефракция является местным возмущением поля радиоволны, уменьшающимся по мере удаления от береговой линии.

Рельеф земной поверхности также влияет на Распространение радиоволн Это влияние зависит от соотношения между высотой неровностей поверхности h , горизонтальной протяжённостью l , l и углом падения q волны на поверхность (рис. 7 ). Если выполняются условия:

4p 2 l 2 sin 2 q/l 2 £ 1; 2psin q << 1, (2)

то неровности считаются малыми и пологими. В этом случае они мало влияют на Распространение радиоволн При увеличении q условия (2) могут нарушаться. При этом энергия волны рассеивается, и напряжённость поля в направлении отражённого луча уменьшается (возникают диффузные отражения).

Высокие холмы, горы и т.п., кроме того, сильно «возмущают» поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению волны из-за интерференции прямых и отражённых от поверхности Земли волн (рис. 8 ).

Распространение радиоволн в тропосфере. Рефракция радиоволн. Земные радиоволны распространяются вдоль поверхности Земли в тропосфере . Проводимость тропосферы s для частот, соответствующих радиоволнам (за исключением миллиметровых волн), практически равна 0; диэлектрическая проницаемость e и, следовательно, показатель преломления n являются функциями давления и температуры воздуха, а также давления водяного пара. У поверхности Земли n » 1,0003. Изменение e и n с высотой зависит от метеорологических условий. Обычно e и n уменьшаются, а фазовая скорость u растет с высотой. Это приводит к искривлению радиолучей (рефракция радиоволн, рис. 9 ). Если в тропосфере под углом к горизонту распространяется волна, фронт которой совпадает с прямой ав (рис. 9 ), то вследствие того, что в верхних слоях тропосферы волна распространяется с большей скоростью, чем в нижних, верхняя часть фронта волны обгоняет нижнюю и фронт волны поворачивается (луч искривляется). Т. к. n с высотой убывает, то радиолучи отклоняются к Земле. Это явление, называется нормальной тропосферной рефракцией, способствует Распространение радиоволн за пределы прямой видимости, т.к. за счёт рефракции волны могут огибать выпуклость Земли. Однако практически этот эффект может играть роль только для УКВ, поскольку для более длинных волн преобладает огибание в результате дифракции. Метеорологические условия могут ослаблять или усиливать рефракцию по сравнению с нормальной.

Тропосферный волновод. При некоторых условиях (например, при движении нагретого воздуха с суши над поверхностью моря) температура воздуха с высотой не уменьшается, а увеличивается (инверсии температуры). При этом преломление в тропосфере может стать столь сильным, что вышедшая под небольшим углом к горизонту волна на некоторой высоте изменит направление на обратное и вернётся к Земле. В пространстве, ограниченном снизу Землёй, а сверху как бы отражающим слоем тропосферы, волна может распространяться на очень большие расстояния (волноводное распространение радиоволн). Так же как в металлических радиоволноводах , в тропосферных волноводах могут распространяться волны, длина которых меньше критической (l кр » 0,085 d 3 / 2 , d - высота волновода в м , l кр в см ). Толщина слоев инверсии в тропосфере обычно не превышает ~ 50-100 м , поэтому волноводным способом могут распространяться только дециметровые, сантиметровые и более короткие волны.

Рассеяние на флуктуациях e. Помимо регулярных изменений e с высотой, в тропосфере существуют нерегулярные неоднородности (флуктуации) e, возникающие в результате беспорядочного движения воздуха. На них происходит рассеяние радиоволн УКВ диапазона. Т. о., область пространства, ограниченная диаграммами направленности приёмной и передающей антенн и содержащая большое число неоднородностей e, является рассеивающим объёмом. Рассеяние приводит к флуктуациям амплитуды и фазы радиоволны, а также к распространению УКВ на расстояния, значительно превышающие прямую видимость (рис. 10 ). При этом поле в точке приёма В образуется в результате интерференции рассеянных волн. Вследствие интерференции большого числа рассеянных волн возникают беспорядочные изменения амплитуды и фазы сигнала. Однако среднее значение амплитуды сигнала значительно превышает амплитуду, которая могла бы быть обусловлена нормальной тропосферной рефракцией.

Поглощение радиоволн. Тропосфера прозрачна для всех радиоволн вплоть до сантиметровых. Более короткие волны испытывают заметное ослабление в капельных образованиях (дождь, град, снег, туман), в парах воды и газах атмосферы. Ослабление обусловлено процессами поглощения и рассеяния. Каждая капля воды обладает значительной проводимостью и волна возбуждает в ней высокочастотные токи. Плотность токов пропорциональна частоте, поэтому значительные токи, а следовательно, и тепловые потери, возникают только при распространении сантиметровых и более коротких волн. Эти токи вызывают не только тепловые потери, но являются источниками вторичного рассеянного излучения, ослабляющего прямой сигнал. Плотность потока рассеянной энергии обратно пропорциональна l 4 , если размер рассеивающей частицы d < l, и не зависит от l, если d >> l (см. Рассеяние света ). Практически через область сильного дождя или тумана волны с l < 3 см распространяться не могут. Волны короче 1,5 см , помимо этого, испытывают резонансное поглощение в водяных парах (l = 1,5 см ; 1,35 см ; 0,75 см ; 0,5 см ; 0,25 см ) и кислороде (l = 0,5 см и 0,25 см ). Энергия распространяющейся волны расходуется в этом случае на ионизацию или возбуждение атомов и молекул. Между резонансными линиями имеются области малого поглощения.

Распространение радиоволн в ионосфере. В ионосфере - многокомпонентной плазме , находящейся в магнитном поле Земли, механизм Распространение радиоволн сложнее, чем в тропосфере. Под действием радиоволны в ионосфере могут возникать как вынужденные колебания электронов и ионов, так и различные виды коллективных собственных колебаний (плазменные колебания). В зависимости от частоты радиоволны w основную роль играют те или другие из них и поэтому электрические свойства ионосферы различны для различных диапазонов радиоволн. При высокой частоте w в Распространение радиоволн принимают участие только электроны, собственная частота колебаний которых (Ленгмюровская частота) равна:

(3)

где е - заряд, m - масса, - концентрация электронов. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы, в отличие от электронов тропосферы, тесно связанных с атомами, отстают от электрического поля высокочастотной волны по фазе почти на 2p. Такое смещение электронов усиливает поле Е волны в ионосфере (рис. 11 ). Поэтому диэлектрическая проницаемость e, равная отношению напряжённости внешнего поля к напряжённости поля внутри среды, оказывается для ионосферы < 1: e = 1 - w 2 0 /w 2 . Учёт столкновений электронов с атомами и ионами даёт более точные формулы для e и s ионосферы:

, (4)

где n - число столкновений в секунду.

Для высоких частот, начиная с коротких волн, в большей части ионосферы справедливо соотношение: w 2 >> n 2 и показатели преломления n и поглощения c равны:

; (5)

С увеличением частоты c уменьшается, а n растет, приближаясь к 1. Т. к. n < 1, фазовая скорость распространения волны . Скорость распространения энергии (групповая скорость волны) в ионосфере равна с ×n и в соответствии с относительности теорией меньше с.

Отражение радиоволн. Для волны, у которой w < w 0 n и u становятся мнимыми величинами, это означает, что такая волна не может распространяться в ионосфере. Поскольку концентрация электронов и плазменная частота w 0 в ионосфере увеличиваются с высотой (рис. 12 ), то падающая волна, проникая в ионосферу, распространяется до такого уровня, при котором показатель преломления обращается в нуль. На этой высоте происходит полное отражение волны от слоя ионосферы. С увеличением частоты падающая волна всё глубже проникает в слой ионосферы. Максимальная частота волны, которая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, называется критической частотой слоя:

(6)

Критическая частота слоя 2 (главный максимум, рис. 12 ) изменяется в течение суток и от года к году приблизительно от 5 до 10 Мгц. Для волн с частотой w > w кр n всюду > 0, т. е. волна проходит через слой, не отражаясь.

При наклонном падении волны на ионосферу максимальная частота волны, возвращающейся на Землю, оказывается выше w кр. Радиоволна, падающая на ионосферу под углом j 0 , испытывая рефракцию, поворачивается к Земле на той высоте, где j(z ) = p/2. Условие отражения при наклонном падении имеет вид: n (z ) = sinj 0 . Частоты волн, отражающихся от данной высоты при наклонном и вертикальном падении, связаны соотношением: w накл = w верт secj 0. Максимальная частота волны, отражающейся от ионосферы при данном угле падения, т. е. для данной длины трассы, называется максимальной применимой частотой (МПЧ).

Двойное лучепреломление. Существенное влияние на Распространение радиоволн оказывает магнитное поле Земли 0 = 0,5 э, пронизывающее ионосферу. В постоянном магнитном поле ионизированный газ становится анизотропной средой. Попадающая в ионосферу волна испытывает двойное лучепреломление , т. е. расщепляется на 2 волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. В магнитном поле H 0 на электрон, движущийся со скоростью u, действует Лоренца сила , под действием которой электрон вращается с частотой (гироскопическая частота) вокруг силовых линий магнитного поля. Вследствие этого изменяется характер вынужденных колебаний электронов ионосферы под действием электрического поля волны.

В простейшем случае, когда направление Распространение радиоволн перпендикулярно H 0 (Е лежит в одной плоскости с H 0), волну можно представить в виде суммы 2 волн с Е ^ Н 0 и Е || Н 0 . Для первой волны (необыкновенной) характер движения электронов и, следовательно, n изменяются, для второй (обыкновенной) они остаются такими же, как и в отсутствии магнитного поля:

; (7)

В случае произвольного направления Распространение радиоволн относительно магнитного поля Земли формулы более сложные: как n 1 , так и n 2 зависят от w H . Поскольку отражение радиоволны происходит от слоя, где n = 0, то обыкновенная и необыкновенная волны отражаются на разной высоте. Критические частоты для них также различны.

По мере Распространение радиоволн в ионосфере из-за различия в скорости накапливается сдвиг фаз между волнами, вследствие чего поляризация результирующей волны непрерывно изменяется. Линейная поляризация падающей волны в определённых условиях сохраняется, но плоскость поляризации при распространении поворачивается (см. Вращение плоскости поляризации ). В общем случае поляризация обеих волн эллиптическая.

Рассеяние радиоволн. Помимо регулярной зависимости электронной концентрации от высоты (рис. 12 ), в ионосфере постоянно происходят случайные изменения концентрации. Ионосферный слой содержит большое число неоднородных образований различного размера, которые находятся в постоянном движении и изменении, рассасываясь и возникая вновь. Вследствие этого в точку приёма, кроме основного отражённого сигнала, приходит множество рассеянных волн (рис. 13 ), сложение которых приводит к замираниям - хаотическим изменениям сигнала.

Существование неоднородных образований приводит к возможности рассеянного отражения радиоволн при частотах, значительно превышающих максимальные частоты отражения от регулярной ионосферы. Аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы это явление обусловливает дальнее Распространение радиоволн (метрового диапазона).

Характерные неоднородные образования возникают в ионосфере при вторжении в неё метеоритов . Испускаемые раскалённым метеоритом электроны ионизируют окружающую среду, образуя за летящим метеоритом след, диаметр которого вследствие молекулярной диффузии быстро возрастает. Ионизированные следы создаются в интервале высот 80-120 км , длительность их существования колеблется от 0,1 до 100 сек. Радиоволны зеркально отражаются от метеорного следа. Эффективность этого процесса зависит от массы метеорита.

Нелинейные эффекты. Для сигналов не очень большой мощности две радиоволны распространяются через одну и ту же область ионосферы независимо друг от друга (см. Суперпозиции принцип ), ионосфера является линейной средой. Для мощных радиоволн, когда поле Е волны сравнимо с характерным «плазменным полем» E p ионосферы, e и s начинают зависеть от напряжённости поля распространяющейся волны. Нарушается линейная связь между электрическим током и полем Е.

Нелинейность ионосферы может проявляться в виде перекрёстной модуляции 2 сигналов (Люксембург - Горьковский эффект ) и в «самовоздействии» мощной волны, например в изменении глубины модуляции сигнала, отражённого от ионосферы.

Особенности распространения радиоволн различного диапазона в ионосфере. Начиная с УКВ волны, частота которых выше максимально применимой частоты (МПЧ), проходят через ионосферу. Волны, частота которых ниже МПЧ, отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю. Такие радиоволны называются ионосферными, используются для дальней радиосвязи на Земле. Диапазон ионосферных волн снизу по частоте ограничен поглощением. Поэтому связь при помощи ионосферных волн осуществляется в диапазоне коротких волн и в ночные часы (уменьшается поглощение) в диапазоне средних волн. Дальность Распространение радиоволн при одном отражении от ионосферы ~ 3500-4000 км , т.к. угол падения j на ионосферу из-за выпуклости Земли ограничен: наиболее пологий луч касается поверхности Земли (рис. 14 ). Связь на большие расстояния осуществляется за счёт нескольких отражений от ионосферы (рис. 15 ).

Длинные и сверхдлинные волны практически не проникают в ионосферу, отражаясь от её нижней границы, которая является как бы стенкой сферического радиоволновода (второй стенкой волновода служит Земля). Волны, излучаемые антенной в некоторой точке Земли, огибают её по всем направлениям, сходятся на противоположной стороне. Сложение волн вызывает некоторое увеличение напряжённости поля в противолежащей точке (эффект антипода, рис. 16 ).

Радиоволны звуковых частот могут просачиваться через ионосферу вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Распространяясь вдоль магнитной силовой линии, волна уходит на расстояние, равное нескольким земным радиусам, и затем возвращается в сопряжённую точку, расположенную в др. полушарии (рис. 17 ). Разряды молний в тропосфере являются источником таких волн. Распространяясь описанным способом, они создают на входе приёмника сигнал с характерным свистом (свистящие атмосферики ).

Для радиоволн инфразвуковых частот, частота которых меньше гироскопической частоты ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая нейтральная жидкость, движение которой описывается уравнениями гидродинамики . Благодаря наличию магнитного поля Земли любое смещение проводящего вещества, создающее электрический ток, сопровождается возникновением сил Лоренца, изменяющих состояние движения. Взаимодействие между механическими и электромагнитными силами приводит к перемещению случайно возникшего движения в ионизированном газе вдоль магнитных силовых линий, т. е. к появлению магнито-гидродинамических (альфвеновских) волн, которые распространяются вдоль магнитных силовых линий со скоростью 4,5×10 4 м /сек (r - плотность ионизированного газа).

Космическая радиосвязь. Когда один из корреспондентов находится на Земле, диапазон длин волн, пригодных для связи с космическим объектом, определяется условиями прохождения через атмосферу Земли. Т. к. радиоволны, частота которых < МПЧ (5-30 Мгц ), не проходят через ионосферу, а волны с частотой > 6-10 Ггц поглощаются в тропосфере, то волны от космического объекта могут приниматься на Земле при частотах от ~ 30 Мгц до 10 Ггц. Однако и в этом диапазоне атмосфера Земли не полностью прозрачна для радиоволн. Вращение плоскости поляризации при прохождении через ионосферу при приёме на обычную антенну приводит к потерям, которые уменьшаются с ростом частоты. Только при частотах > 3 Ггц ими можно пренебречь (рис. 18 ). Эти условия определяют диапазон радиоволн для дальней связи на УКВ при использовании спутников.

Для связи с объектами, находящимися на др. планетах, необходимо учитывать поглощение и в атмосфере этих планет. При осуществлении связи между 2 космическими кораблями, находящимися вне атмосферы планет, особенное значение приобретают миллиметровые и световые волны, обеспечивающие наибольшую ёмкость каналов связи (см. Оптическая связь ). Сведения о процессах Распространение радиоволн в космическом пространстве даёт радиоастрономия .

Подземная и подводная радиосвязь. Земная кора, а также воды морей и океанов обладают проводимостью и сильно поглощают радиоволны. Для осадочных пород в поверхностном слое земной коры s » 10 -3 -10 -2 ом -1 м -1 . В этих средах волна практически затухает на расстоянии £ l. Кроме того, для сред с большой s коэффициент поглощения увеличивается с ростом частоты. Поэтому для подземной радиосвязи используются в основном длинные и сверхдлинные волны. В подводной связи наряду со сверхдлинными волнами используют волны оптического диапазона.

В системах связи между подземными или подводными пунктами может быть использовано частичное распространение вдоль поверхности Земли или моря. Вертикально поляризованная волна, возбуждаемая подземной передающей антенной, распространяется до поверхности Земли, преломляется на границе раздела между Землёй и атмосферой, распространяется вдоль земной поверхности и затем принимается подземной приёмной антенной (рис. 19 ). Глубина погружения антенн достигает десятков м. Системы этого типа обеспечивают дальность до нескольких сотен км и применяются, например, для связи между подземными пунктами управления при запуске ракет. Системы др. типа используют подземные волноводы - слои земной коры, обладающие малой проводимостью и, следовательно, малыми потерями. К таким породам относятся каменная соль , поташ и др. Эти породы залегают на глубинах до сотен м и обеспечивают дальность Распространение радиоволн до нескольких десятков км. Дальнейшим развитием этого направления является использование твёрдых горных пород (гранитов, гнейсов, базальтов и др.), расположенных на больших глубинах и имеющих малую проводимость (рис. 20 ). На глубине 3-7 км s может уменьшиться до 10 -11 ом -1 м -1 . При дальнейшем увеличении глубины благодаря возрастанию температуры создаётся ионизация (обращенная ионосфера) и проводимость увеличивается. Образуется подземный волновод толщиной в несколько км , в котором возможно Распространение радиоволн на расстоянии до нескольких тыс. км. Одна из основных проблем подземной и подводной связи - расчёт излучения и передачи энергии от антенн , расположенных в проводящей среде.

Преимущество систем подземной связи состоит в их независимости от бурь, ураганов и искусственных разрушений на поверхности Земли. Кроме того, благодаря экранирующему действию верхних проводящих осадочных пород системы подземной связи обладают высокой помехозащищенностью от промышленных и атмосферных шумов.

Лит.: Фейнберг Е. Л., Распространение радиоволн вдоль земной поверхности, М., 1961; Альперт Я. Л., Распространение электромагнитных волн и ионосфера, М., 1972; Гуревич А. В., Шварцбург А. Б., Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере, М., 1973; Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973; Татарский В. И., Распространение волн в турбулентной атмосфере, М., 1967; Чернов Л. А., Распространение волн в среде со случайными неоднородностями, М., 1958; Гинзбург В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, М., 1967; Макаров Г. И., Павлов В. А., Обзор работ, связанных с подземным распространением радиоволн. Проблемы дифракции и распространения радиоволн, Сб. 5, Л., 1966; Долуханов М. П., Распространение радиоволн, 4 изд., М., 1972; Гавелей Н. П., Никитин Л. М., Системы подземной радиосвязи, «Зарубежная радиоэлектроника», 1963, № 10; Габиллард [Р.], Дегок [П.], Уэйт [Дж.], Радиосвязь между подземными и подводными пунктами, там же, 1972, № 12; Ратклифф Дж. А., Магнито-ионная теория и ее приложения к ионосфере, пер. с англ., М., 1962.
Рис. 19. Система подземной связи с частичным распространением радиоволн вдоль земной поверхности. Вторичные волны изображены условно.

Статья про слово "Распространение радиоволн " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 36675 раз

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН - процесс передачи в пространстве эл--магн. колебаний радиодиапазона (см. Радиоволны ).В естеств. условиях Р. р. происходит в разл. средах, напр. в атмосфере, космич. плазме, в поверхностном слое Земли.

Общие закономерности распространения радиоволн. Скорость Р. р. в свободном пространстве в вакууме равна скорости света с. Полная энергия, переносимая радиоволной, остаётся постоянной, а плотность потока энергии убывает с увеличением расстояния r от источника обратно пропорционально r 2 . Р. р. в др. средах происходит с фазовой скоростью, отличающейся от с , и в равновесной среде сопровождается поглощением эл--магн. энергии. Оба эффекта объясняются возбуждением колебаний электронов и ионов среды под действием электрич. поля волны. Если напряжённость поля E гармонич. волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на заряды в самой среде (напр., на электрон в атоме), то колебания происходят также по гармонич. закону с частотой w пришедшей волны. Колеблющиеся электроны излучают вторичные радиоволны той же частоты, но с др. амплитудами и фазами. В результате сложения вторичных волн с приходящей формируется результирующая волна с новой амплитудой и фазой. Сдвиг фаз между первичной и переизлучёнными волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами являются причиной поглощения радиоволн .

Амплитуда волны убывает с расстоянием по закону а фаза волны изменяется по закону y = wt - (w/с)nr , где x - показатель поглощения, n - преломления показатель ; n и x зависят от диэлектрической проницаемости e среды, её проводимости s и частоты волн w:

гденаз. тангенсом угла потерь. Фазовая скорость u = с/n , коэф. поглощения Среда ведёт себя как диэлектрик , если и как проводник, еслиВ первом случае во втором -и волна затухает на расстояниях - толщина скин-слоя (см. Скин-эффект) . В среде e ц s являются ф-циями частоты (см. Дисперсия волн) . Вид частотной зависимости е и s определяется структурой среды. Дисперсия радиоволн особенно существенна в тех случаях, когда частота волны близка к характерным собств. частотам среды (напр., при Р. р. в ионосферной и космич. плазме, см. ниже).

При Р. р. в средах, не содержащих свободных электронов (тропосфера, толща Земли), происходит смещение связанных электронов в атомах и молекулах среды в сторону, противоположную полю волны Е , при этом n > 1, u Ф < с . В плазме поле волны вызывает смещение свободных электронов в направлении E , при этом n < 1 и u Ф > с, т. е. фазовая скорость монохро-матич. волны может быть как меньше, так и больше с . Однако для того чтобы передать при помощи радиоволн к--л. информацию (энергию), необходимо иметь ограниченный во времени радиосигнал, представляющий собой нек-рый набор гармонич. волн. Спектральный состав сигнала зависит от его длительности и формы. Радиосигнал распространяется с групповой скоростью u гр. В любой среде u гр < с .

В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно, подобно световым лучам. Процесс Р. р. в этом случае подчиняется законам геометрической оптики . Однако реальные среды неоднородны. В них п , а следовательно, и u Ф различны в разных участках среды, что приводит к рефракции радиоволн . В случае плавных (в масштабе l) неоднородности справедливо приближение геом. оптики. Если показатель преломления зависит только от высоты h , отсчитываемой от сферической поверхности Земли, то вдоль траектории луча выполняется условие

Соотношение (2) представляет собой Снелля закон преломления для сферическислоистой среды. Здесь R 0 - радиус Земли, f - угол наклона луча к вертикали в произвольной точке траектории. Если вместо действит. показателя преломления га ввести приведённый показатель преломления

то закон преломления (2) получит вид

Соотношение (4) наз. законом преломления Снелля для плоскослоистой среды.

Если n убывает при увеличении h , то в результате рефракции луч, по мере распространения, отклоняется от вертикали и на нек-рой высоте h m становится параллельным горизонтальной плоскости, а затем распространяется вниз (рис. 1, а). Макс. высота h m , на к-рую луч может углубиться в неоднородную плоскослоистую среду, зависит от угла падения f 0 и определяется из условия

Рис. 1. а - рефракция радиоволн в плоскослоистой среде с grad n < 0; б - зависимость квадрата амплитуды напряжённости электрического поля радиоволны от высоты h .

В область h > h m лучи не проникают, и, согласно приближению геом. оптики, волновое поле в этой области должно быть равно 0. В действительности вблизи плоскости h = h m волновое поле возрастает, а при h > h m убывает экспоненциально (рис. 1, б) . Нарушение законов геом. оптики при Р. р. связано также с дифракцией волн , вследствие к-рой радиоволны могут проникать в область геом. тени. На границе области геом. тени образуется сложное распределение волновых полей. Дифракция радиоволн возникает при наличии на их пути препятствий (непрозрачных или полупрозрачных тел) и особенно существенна в тех случаях, когда размеры препятствий сравнимы с l.

Если Р. р. происходит вблизи резкой границы (в масштабе l) между двумя средами с разл. электрич. свойствами (напр., атмосфера - поверхность Земли или тропосфера - ниж. граница ионосферы для достаточно длинных волн), то при падении радиоволн на резкую границу образуются отражённая и преломлённая (прошедшая) радиоволны. Если отражение происходит от границы проводящей среды (напр., от поверхностного слоя Земли), то глубина проникновения в него определяется толщиной скин-слоя.

В неоднородных средах возможно волноводное распространение радиоволн , при к-ром происходит локализация потока энергии между определ. поверхностями, за счёт чего волновые поля между ними убывают с расстоянием медленнее, чем в однородной среде (атм. волновод). В средах с плавными неоднородностями локализация связана с рефракцией, а в случае резких границ - с отражением.

В среде, содержащей случайные локальные неоднородности, вторичные волны излучаются беспорядочно в разл. направлениях. Рассеянные волны частично уносят энергию исходной волны, что приводит к её ослаблению. При рассеянии на неоднородностях размером l l (т. н. рассеяние Рэлея; см. Рассеяние света )рассеянные волны распространяются почти изотропно. В случае рассеяния на крупномасштабных прозрачных неоднородностях рассеянные волны распространяются в направлениях, близких к исходной волне. При l ! l возникает сильное резонансное рассеяние.

Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн определяется как электрич. параметрами e и s грунтов и водных пространств, образующих земную кору, так и структурой поверхности Земли, т. е. её кривизной и неоднородностью. Р. р.- процесс, захватывающий большую область пространства, но наиб. существ. роль в Р. р. играет область, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах к-рого A и B на расстоянии r расположены передатчик и приёмник (радиотрасса, рис. 2). Большая ось эллипсоида равнамалая ось определяется размерами первой Френеля зоны и Ширина трассы уменьшается с убыванием l. Если высоты z 1 и z 2 , на к-рых расположены антенны передатчика и приёмника над поверхностью Земли, велики по сравнению с l, то эллипсоид не касается поверхности Земли и она не влияет на Р. р. (рис. 2, а) . При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы (или увеличении длины волны) поверхность Земли пересекает эллипсоид. В этом случае на Р. р. оказывают влияние электрич. параметры области поверхности Земли, ограниченной эллипсом сечения, вытянутым вдоль трассы. При сохранении условий и в точке приёма возникает интерференция между прямой и отражённой волнами (см. Интерференция волн ).Амплитуда и фаза отражённой волны определяются с учётом Френеля формул для коэф. отражения. Интерференционные максимумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля, к-рая характерна для декаметровых и более коротких радиоволн. Если z 1 /l < 1 и z 2 /l < 1, то радиотрасса выделяет участок поверхности Земли, ограниченный эллипсом с осями r + l(p/4) и

Рис. 2. Эллипсоидальная область пространства, существенная при распространении радиоволн (радиотрасса); А - излучатель; В - приёмник.

Уменьшение напряжённости поля, а следовательно, и потока энергии, переносимого радиоволной вдоль поверхности Земли (земной волной) , обусловлено проводимостью поверхности в этой области. При P.p. вдоль проводящей поверхности возникает поток энергии, направленный в проводящую среду и быстро затухающий по мере распространения в ней. Глубина проникновения радиоволны в земную кору определяется толщиной скин-слоя и, следовательно, увеличивается с увеличением длины волны. Поэтому для подземной и подводной радиосвязи используются длинные и сверхдлинные радиоволны.

Рис. 3. Дальность "прямой видимости" r ограничена выпуклостью земной поверхности; R 0 - радиус Земли, z 1 , и z 2 , - высоты передающей А и приёмной В антенн соответственно.

Выпуклость земной поверхности ограничивает расстояние, на к-ром из точки приёма В "виден" передатчик А (область "прямой видимости", рис. 3). Однако радиоволны, огибая Землю в результате дифракции, могут проникать в область тени на большее расстояние(R 0 - радиус Земли). Практически в эту область за счёт дифракции могут проникать только километровые и более длинные волны (рис. 4).

Рис. 4 . График, иллюстрирующий связь дальности r распространения от величины W = 20lg|E/E * | , где E - напряжённость поля радиоволны в реальных условиях распространения с учётом огибания выпуклости земной поверхности (излучатель расположен на поверхности Земли); Е * - напряжённость поля для разных частот без учёта дифракции.

Фазовая скорость земных волн вблизи излучателя зависит от электрич. свойств. Однако на расстоянии в неск. l от излучателя u ф! с . Если радиоволны распространяются над электрич. неоднородной поверхностью, напр. сначала над сушей, а затем над морем, то при нересечении береговой линии резко изменяются амплитуда и направление Р. р. (береговая рефракция, рис. 5).

Рис. 5. Изменение напряжённости электрического поля волны при пересечении береговой линии.

Влияние рельефа земной поверхности на Р. р. зависит от высоты неровностей h , их горизонтальной протяжённости l , l и угла q падения волны на поверхность. Если неровности достаточно малы и пологи, так что kh cosq < < 1 (k - волновое число), и выполняется т. н. критерий Рэлея k 2 l 2 cosq < 1, то они слабо влияют на Р. р. Влияние неровностей зависит также от поляризации волн. Напр., для горизонтально поляризованных волн оно меньше, чем для волн, поляризованных вертикально. Когда неровности не малы и не пологи, энергия радиоволны может рассеиваться (радиоволна отражается от них). Высокие горы и холмы с h > l "возмущают" волновое поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению волны из-за интерференции прямых и отражённых волн. Вершина горы служит естеств. ретранслятором. Это существенно при распространении метровых радиоволн в гористой местности (рис. 6).

Распространение радиоволн в тропосфере. Тропосфера - область атмосферы, расположенная между поверхностью Земли и тропопаузой, в к-рой темп-pa воздуха обычно убывает с высотой (в тропопаузе темп-ра с высотой увеличивается). Высота тропопаузы на земном шаре неодинакова, над экватором она больше, чем над полюсами, а в средних широтах, где существует система сильных западных ветров, изменяется скачкообразно. Тропосфера состоит из смеси нейтральных молекул и атомов газов, входящих в состав сухого воздуха, и паров воды. Диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и показатель преломления газа, не содержащего свободных электронов и ионов, обусловлены дополнительными полями, создаваемыми смещением электронов в молекулах (поляризация сухого воздуха) я ориентацией полярных молекул (пары воды) под действием электрич. поля волны.

Показатель преломления тропосферы

где p - давление сухого воздуха, е - давление водяного пара в миллибарах, Т - темп-pa. Показатель преломления не зависит от частоты и очень мало отличается от единицы. Так, у поверхности Земли с увеличением высоты происходит изменение параметров р, Т, е , определяющих значение показателей преломления. При нормальных метеорологич. условиях показатель преломления уменьшается с высотой:

Это приводит к искривлению траектории лучей. Для правильной оценки положения луча относительно поверхности Земли необходимо учитывать сферичность её поверхности, что можно сделать, вводя приведённый показатель преломления (3):

отличающийся от grad n не только по абс. величине, но и по знаку. В условиях нормальной тропосферной рефракции grad n пр > 0. В этом случае луч, вышедший из приподнятого над землёй излучателя под углом к вертикали, при распространении приближается к ней. При распространение лучей происходит в сторону уменьшающихся значений n пр. При этом, в зависимости от значений f 0 , луч может достигнуть поверхности Земли и отразиться от неё, достигнуть точки поворота, определяемой из условия (5), и при нек-ром значении угла f 0 точка поворота может лежать на поверхности Земли. В этом случае траектория луча является границей между областью, в к-рую могут попасть лучи, и областью тени. Нормальная тропосферная рефракция способствует увеличению области прямой видимости.

Метеорологич. условия существ. образом влияют на изменение показателя преломления, т. е. и на рефракцию радиоволн. Обычно в тропосфере давление воздуха н темп-pa С высотой уменьшаются, а давление водяного пара увеличивается. При нек-рых метеорологич. условиях, напр. при движении нагретого над сушей воздуха над более холодной поверхностью моря, темп-ра воздуха с высотой увеличивается, а давление водяного пара уменьшается (инверсия темп-ры и влажности). В этом случае показатель преломления изменяется с высотой не монотонно, т. е. dn пр /dh на нек-рой высоте может изменить знак. Если в интервале высот, определяемом толщиной слоя инверсии, то gradn np <0. В плоскослоистой среде с grad n пр < О лучи отражаются от высоты, определяемой из условия (5). В пространстве, ограниченном снизу поверхностью Земли, а сверху высотой, на к-рой dn пр /dh изменяет знак, возникают условия для волноводного распространения (рис. 7). В тропосферных волноводах, как правило, могут распространяться волны с l < 1 м.

Рис. 7. Траектории УКВ в тропосферном волноводе.

Поглощение радиоволн в тропосфере пренебрежимо мало для всех радиоволн вплоть до сантиметрового диапазона. Поглощение сантиметровых и более коротких волн резко увеличивается, когда частота волны w совпадает с одной из собств. частот колебаний молекул воздуха (резонансное поглощение). Молекулы получают от приходящей волны энергию, к-рая превращается в теплоту p только частично передаётся вторичным волнам. Известен ряд линий резонансного поглощения в тропосфере: l = 1,35 см, 1,5 см, 0,75 см (поглощение в парах воды) и l = 0,5 см, 0,25 см (поглощение в кислороде). Между резонансными линиями лежат области более слабого поглощения (окна прозрачности).

Ослабление радиоволн может быть также вызвано рассеянием на неоднородностях, возникающих при турбулентном движении воздушных масс (см. Турбулентность ).Рассеяние резко увеличивается, когда в воздухе присутствуют капельные неоднородности в виде дождя, снега, тумана. Почти изотропное рассеяние Рэлея на мелкомасштабных неоднородностях делает возможной радиосвязь на расстояниях, значительно превышающих прямую видимость (рис. 8). Т. о., тропосфера существенно влияет на распространение УКВ. Для декаметровых и более длинных волн тропосфера практически прозрачна, и на их распространение влияют земная поверхность и более высокие слои атмосферы.

Рис. 8. Рассеяние радиоволн на мелкомасштабных неоднородностях.

Распространение радиоволн в ионосфере. Ионосферу образуют верх. слои земной атмосферы, в к-рой газы частично (до 1%) ионизированы под влиянием УФ-, рентг. и корпускулярного солнечного излучения. Ионосфера электрически нейтральна, она содержит равное кол-во положит. и отрицат. частиц, т. е. является плазмой. Достаточно большая ионизация, оказывающая влияние на Р. р., начинается на высоте 60 км (слой D ), увеличивается до высоты 300-400 км, образуя слои Е. F 1 , F 2 , и затем медленно убывает. В гл. максимуме концентрация электронов N достигает 10 6 см -3 . Зависимость N от высоты меняется со временем суток, года, с солнечной активностью, а также с широтой и долготой. Ионизиров. слой между 200 и 400 км состоит в осн. из равного кол-ва ионов О + и электронов. Эти частицы погружены в нейтральный газ с концентрацией 10 8 см -3 , состоящий в осн. из частиц О 2 , О, N 2 и Не.

В многокомпонентной плазме, содержащей электроны, ионы и нейтральные молекулы и пронизанной магн. полем Земли (см. Земной магнетизм) , могут возникать разл. виды собств. колебаний, имеющих разные частоты. Напр., плазменные (ленгмюровские) частоты электронов и ионов ги-ромагн. частоты электронов и ионов где т, М - массы электрона и иона, е - их заряд, N - концентрация, Н 0 - напряжённость магн. поля Земли. Т. к. то . Напр., для электронов=1,4 МГц, а для ионов атомарного кислорода= 54 Гц.

В зависимости от частоты w радиоволны осн. роль в Р. р. играют те или др. виды собств. колебаний, поэтому электрич. свойства ионосферы различны для разных участков радиодиапазона. При высоких w ионы не успевают следовать за изменениями поля и в Р. р. принимают участие только электроны. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы происходят в про-тивофазе с действующей силой и вызывают поляризацию плазмы в сторону, противоположную электрич. полю волны Е. Поэтому диэлектрич. проницаемость ионосферы e < 1. Она уменьшается с уменьшением частоты: Учёт соударений электронов с атомамии ионами даёт более точные ф-лы для e и s ионосферы:

Здесь v - эфф. частота соударений. Для декаметровых и более коротких волн в большей части ионосферы и показатели преломления h и поглощения приближённо равны:

Поскольку h < 1, фазовая скорость Р. р. УФ = = с/п > с , групповая скорость u гр = с/n < с .

Поглощение в ионосфере пропорц. v, т. к. чем больше число столкновений, тем большая часть энергии, получаемой электроном из волн, переходит в тепло. Поэтому поглощение больше в ниж. областях ионосферы (слой D) , где v больше, т. к. выше плотность газа. С увеличением частоты поглощение уменьшается. Короткие волны испытывают слабое поглощение и распространяются на большие расстояния.

Рефракция радиоволн в ионосфере. В ионосфере распространяются только радиоволны с частотой w > w 0 . При w < w 0 показатель преломления становится чисто мнимым и эл--магн. поле экспоненциально убывает в глубь плазмы. Радиоволна с частотой w, падающая на ионосферу вертикально, отражается от уровня, на к-ром w = w 0 и n = 0. В ниж. части ионосферы электронная концентрация и w 0 увеличиваются с высотой, поэтому с увеличением w посланная с Земли волна всё глубже проникает в ионосферу. Макс. частота радиоволны, к-рая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, наз. критич. частотой слоя:

Критич. частота слоя F 2 (гл. максимума) изменяется в течение суток и года в широких пределах (от 3-5 до 10 МГц). Для волн с показатель преломления не обращается в нуль и падающая вертикально волна проходит через ионосферу, не отражаясь.

При наклонном падении волны на ионосферу происходит рефракция, как в тропосфере. В ниж. части ионосферы gradM -1 , т. е. поэтому gradи траектория луча отклоняется по направлению к Земле (рис. 9). Радиоволна, падающая на ионосферу под углом f 0 , поворачивает к Земле на высоте h , для к-рой выполнено условие (5). Макс. частота волны, отражающейся от ионосферы при падении под углом (т. е. для данной дальности трассы), равнаи наз. максимально применимой частотой (МПЧ). Волны с отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю, что используется для дальней радиосвязи.

Рис. 9. Схематическое изображение радиолучей определённой частоты при различных углах падения на ионосферу.

Рис. 10. Распространение коротких волн между Землёй и ионосферой: а - много-скачковая траектория; б - скользящая траектория.

Вследствие сферичности Земли величина угла f 0 ограничена и дальность связи при однократном отражении от ионосферы3500-4000 км. Связь на большие расстояния осуществляется за счёт неск. последоват. отражений от ионосферы и Земли ("скачков", рис. 10,а ). Возможны и более сложные волноводные траектории, возникающие за счёт горизонтального градиента N или рассеяния на неоднородностях ионосферы при Р. р. с частотой w> w МПЧ. В результате рассеяния угол падения луча на слой F 2 оказывается больше, чем при обычном распространении. Луч испытывает ряд последоват. отражений от слоя F 2 , пока не попадёт в область с таким градиентом N , к-рый вызовет отражение части энергии назад к Земле (рис. 10, б) .

Влияние магнитного поля Земли Н 0 . В магн. поле Н 0 на электрон, движущийся со скоростью u , действует Лоренца сила под влиянием к-рой он вращается по окружности в плоскости, перпендикулярной Н 0 , с гиромагн. частотой w H . Траектория каждой заряж. частицы - винтовая линия с осью вдоль Н 0 . Действие силы Лоренца приводит к изменению характера вынужденных колебаний электронов под действием электрич. поля волны, а следовательно, к изменению электрич. свойств среды. В результате ионосфера становится анизотропной гиротропной средой, электрич. свойства к-рой зависят от направления Р. р. и описываются не скалярной величиной e, а тензором диэлект-рич. проницаемости . Падающая на такую среду волна испытывает двойное лучепреломление ,т. е. расщепляется на две волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. Если направление Р. р.то падающую волну можно представить себе в виде суммы двух линейно поляризованных волн си. Для первой, "необыкновенной", волны (е )характер вынужденного движения электронов под действием поля волны Е изменяется (появляется компонента ускорения, перпендикулярная Е )и поэтому изменяется п . Для второй, "обыкновенной", волны (о ) вынужденное движение остаётся таким же, как и без поля Н 0 (присила Лоренца равна 0). Для этих двух волн (без учёта соударений) квадраты показателей преломления равны

При Р. р. вдоль

В последнем случае обе волны имеют круговую поляризацию, причём у "необыкновенной" волны вектор E вращается в сторону вращения электрона, а у "обыкновенной" - в противоположную сторону. При произвольном направлении Р. р. (относительно Н„) поляризация нормальных волн эллиптическая.

По мере Р. р. в ионосфере увеличивается сдвиг фаз между волнами и изменяется поляризация суммарной волны. Напр., при P.p. вдоль Н 0 это приводит к повороту плоскости поляризации (Фарадея эффект ),а при Р. р. перпендикулярно Н 0 - к периодич. чередованию линейной и круговой поляризаций (см. Коттона - Мутона эффект) , Т. к. показатели преломления волн различны, отражение их происходит на разной высоте (рис. 11). Направление волнового вектора k при Р. р. в ионосфере может отличаться от u гр.

Рис. 11 . Расщепление радиоволны в результате двойного лучепреломления в ионосфере.

Низкочастотные волны в ионосфере. Осн. часть энергии НЧ-радиоволн практически не проникает в ионосферу. Волны отражаются от её ниж. границы (днём - вследствие сильной рефракции в D -слое, ночью - от E-слоя , как от границы двух сред с разными электрич. свойствами). Распространение этих волн хорошо описывается моделью, согласно к-рой однородные и изотропные Земля и ионосфера образуют приземный волновод с резкими сферич. стенками, в к-ром и происходит Р. р. Такая модель объясняет наблюдаемое убывание поля с расстоянием и возрастание амплитуды поля с высотой. Последнее связано со скольжением волн вдоль вогнутой поверхности волновода, приводящим к своеобразной "фокусировке" поля. Это явление аналогично открытому Рэлеем в акустике эффекту "шепчущей галереи". Амплитуда радиоволн значительно возрастает в антиподной по отношению к источнику точке Земли. Это объясняется сложением радиоволн, огибающих Землю по всем направлениям и сходящихся на противоположной стороне.

Влияние магн. поля Земли обусловливает ряд особенностей распространения НЧ-волн в ионосфере: сверхдлинные волны могут выходить из приземного волновода за пределы ионосферы, распространяясь вдоль силовых линий геомагн. поля между сопряжёнными точками А и В Земли (рис. 12). Из ф-лы (8) видно, что при в случае продольного распространения нигде не обращается в 0, т. е. волна проходит через ионосферу без отражения. В ночной атмосфере приближение геом. оптики нарушается и частичное прохождение есть при любом угле падения. Разряды молний · в атмосфере - естеств. источник НЧ-волн. В диапазоне 1-10 кГц они приводят к образованию т. н. свистящих атмосфериков ,к-рые распространяются указанным образом и создают на выходе приёмника сигнал с характерным свистом.

Рис. 12 .

При Р. р. инфразвуковых частот с w " W H важную роль играют колебания ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая нейтральная жидкость, движение к-рой описывается ур-ниями магнитной гидродинамики . В ионосфере возможно распространение неск. типов маг-нитогидродинамич. волн, в частности альвеновских волн , распространяющихся вдоль геомагн. поля с характерной скоростью(где r - плотность газа), и магнитозвуковых волн, к-рые распространяются изотропно (подобно звуку).

Нелинейные эффекты при распространении радиоволн в ионосфере проявляются уже для радиволн сравнительно небольшой интенсивности и связаны с нарушением линейной зависимости поляризации среды от электрич. поля волны (см. Нелинейная оптика )."На-гревная" нелинейность играет осн. роль, когда характерные размеры возмущённой электрич. полем области плазмы во много раз больше длины свободного пробега электронов. Т. к. длина свободного пробега электронов в плазме значительна, электрон успевает получить от поля заметную энергию за время одного пробега. Передача энергии при столкновениях от электронов к ионам, атомам и молекулам затруднена из-за большого различия в их массах. В результате электроны плазмы сильно "разогреваются" уже в сравнительно слабом электрич. поле, что изменяет эфф. частоту соударений. Поэтому b и s плазмы становятся зависящими от поля Е волны и Р. р. приобретает нелинейный характер. "Возмущение" диэлектрич. проницаемости

Где - характерное "плазменное" поле, Т - темп-pa плазмы, d - ср. доля энергии, теряемая электроном при одном соударении с тяжёлой частицей, - частота соударений.

Т. о., нелинейные эффекты становятся заметными, когда поле волны E сравнимо с E p , к-рое в зависимости от частоты волны и области ионосферы составляет ~10 -4 -10 -1 В/см.

Нелинейные эффекты могут проявляться как самовоздействие волны и как взаимодействие волн между собой. Самовоздействие мощной волны приводит к изменению её поглощения и глубины модуляции. Поглощение мощной радиоволны нелинейно зависит от её амплитуды. Частота соударений v с увеличением темп-ры электронов может как расти (в ниж. слоях, где осн. роль играют соударения с нейтральными частицами), так и убывать (при соударении с ионами). В первом случае поглощение резко возрастает с увеличением мощности волны ("насыщение" поля в плазме). Во втором случае поглощение падает (т. и. просветление плазмы для мощной радиоволны). Из-за нелинейного изменения поглощения амплитуда волны нелинейно зависит от амплитуды падающего поля, поэтому её модуляция искажается (автомодуляция и демодуляция волны). Изменение h в поле мощной волны приводит к искажению траектории луча. При распространении узконаправленных пучков радиоволн это может привести к самофокусировке пучка аналогично самофокусировке света и к образованию волноводного канала в плазме.

Взаимодействие волн в условиях нелинейности приводит к нарушению суперпозиции принципа .В частности, если мощная волна с частотой w 1 модулирована по амплитуде, то благодаря изменению поглощения эта модуляция может передаться др. волне с частотой w 2 , проходящей в той же области ионосферы (рис. 13) Это явление, называемое кросс модуляцией или Люксембург-Горьковским эффектом , имеет практич. значение при радиовещании в диапазоне ср. волн.

Рис. 13 . Ионосферная кроссмодуляция происходит в области пересечения лучей.

Нагрев ионосферы в поле мощной волны в КВ-диапа-зоне может вызвать тепловую параметрич. неустойчивость в ионосфере, к-рая приводит к аномально большому поглощению радиоизлучения и расслоению плазмы (см. Параметрический резонанс) . В области резонанса образуются сильно вытянутые вдоль Н 0 неоднородности ионосферы (с продольным масштабом 1 км, поперечным - 0,5100 м), к-рые перспективны для дальней связи в диапазоне УКВ. В поле очень мощных радиоволн электроны столь сильно разогреваются, что возникает электрич. пробой газа.

Если размеры возмущённой полем волны области плазмы много меньше длины свободного пробега электронов, нагревная нелинейность становится слабой. Это имеет место при коротких импульсах и узких пучках радиоволн. В этом случае осн. роль играет т. н. стрикционная нелинейность, связанная с тем, что неоднородное перем. электрич. поле волны оказывает давление на электроны, вызывающее сжатие плазмы. Концентрация электронов N , а следовательно, e и s становятся зависящими от амплитуды поля. Стрикционная нелинейность приводит к изменению диэлектрич. проницаемости меньшей нагревного изменения на неск. порядков (при той же мощности волны). Стрикционная нелинейность играет важную роль в параметрич. неустойчивости ионосферы.

Распространение радиоволн в космических условиях. За исключением планет и их ближайших окрестностей, б. ч. вещества во Вселенной ионизована. Параметры космич. плазмы меняются в широких пределах. Напр., концентрация электронов и ионов вблизи орбиты Земли ~1-10 см -3 , в ионосфере Юпитера ~10 5 см -3 , в солнечной короне ~10 8 см -3 , в недрах звёзд~10 27 см -3 . Из космич. пространства к Земле приходит широкий спектр эл--магн. волн, к-рые на пути из космоса должны пройти через ионосферу и тропосферу. Через атмосферу Земли без заметного затухания распространяются волны двух осн. частотных диапазонов: "радиоокно" соответствует диапазону от ионосферных критич. частот w кr до частот сильного поглощения аэрозолями и газами атмосферы (10 МГц - 20 ГГц), "оптич. окно" охватывает диапазон видимого и ИК-излучения (1-10 3 ТГц). Атмосфера также частично прозрачна в диапазоне НЧ (<300 кГц), где распространяются свистящие атмосферики и магнитогидродинамич. волны.

В космич. условиях источник радиоволн и их приёмник часто быстро движутся один относительно другого. В результате Доплера эффекта это приводит к изменению w на , где u - относит. скорость. Понижение частоты при удалении корреспондентов (красное смещение )свойственно излучению удаляющихся от нас далёких галактик. Радиоволны в космич. плазме подвержены рефракции, связанной с неоднородностью среды (рис. 14). Напр., вследствие рефракции в атмосфере Земли источник радиоволн виден выше над горизонтом, чем в действительности. Для определения расстояния до пульсаров и при интерпретации результатов радиолокации Солнца и планет необходимо учитывать, что в космич. плазме

Рис. 14. Траектории радиолучей с l = 5 м в солнечной короне.

Возможности радиосвязи с объектами, находящимися в космич. пространстве или на др. планетах, разнообразны и связаны с наличием и строением их атмосфер. Если космич. плазма находится в магн. поле (магнитосфера Юпитера, области солнечных пятен, магнитосферы пульсаров), то она является гиротропной средой, подобно земной ионосфере. Для всех планет с атмосферами общая трудность радиосвязи состоит в том, что при входе космич. аппарата в плотные слои атмосферы вокруг него создаётся плотная плазменная оболочка, затрудняющая прохождение радиоволн. На планетах типа Меркурия и Луны, практически не имеющих атмосферы и ионосферы, на Р. р. оказывает влияние только поверхность планеты. Из-за отсутствия отражения от ионосферы дальность связи вдоль поверхности такой планеты невелика (рис. 15) и может быть увеличена только при помощи ретрансляции через спутник.

Рис. 15. Зависимость дальности r радиосвязи на поверхности Луны от частоты w/2p.

Распространение радиоволн разных диапазонов. Радиоволны очень низких (3-30 кГц) и низких (30- 300 кГц) частот огибают земную поверхность вследствие волноводного распространения и дифракции, сравнительно слабо проникают в ионосферу и мало поглощаются ею. Отличаются высокой фазовой стабильностью и способностью равномерно покрывать большие площади, включая полярные районы. Это обусловливает возможность их использования для устойчивой дальней и сверхдальней радиосвязи и радионавигации, несмотря на высокий уровень атм. помех. Полоса частот от 150 до 300 кГц используется для радиовещания. Большое число геофиз. исследований выполняется путём наблюдений за сигналами естеств. происхождения, к-рые генерируются, напр., молниевыми разрядами и частицами радиац. поясов Земли. Трудности применения этого частотного диапазона обусловлены громоздкостью антенных систем с высоким уровнем атм. помех, с относит. ограниченностью скорости передачи информации.

Средние волны (300-3000 кГц) днём распространяются вдоль поверхности Земли (земная, или прямая, волна). Отражённая от ионосферы волна практически отсутствует, т. к. волны сильно поглощаются в D -слое ионосферы. Ночью из-за отсутствия солнечного излучения D -слой исчезает, появляется ионосферная волна, отражённая от E -слоя, и дальность приёма возрастает. Сложение прямой и отражённой волн влечёт за собой сильную изменчивость поля, поэтому ионосферная волна - источник помех для мн. служб, использующих распространение земной волны. Ср. волны применяются для радиовещания, радиотелеграфной и радиотелефонной связи, радионавигации.

Короткие волны (3-30 МГц) слабо поглощаются D - и Е -слоями и отражаются от F-слоя , когда их частотымпч. В результате их отражения от ионосферы возможна связь как на малых, так и на больших расстояниях при значительно меньшем уровне мощности передатчика и гораздо более простых антеннах, чем в более низкочастотных диапазонах. Этот диапазон применяется для радиотелефонной и радиотелеграфной связи, радиовещания, а также для радиолюбительской связи. Особенность радиосвязи в этом диапазоне - наличие замираний (фединга) сигнала из-за изменений условий отражения от ионосферы и интер-ференц. эффектов. КВ-линии связи подвержены влиянию атм. помех. Ионосферные бури вызывают прерывание связи.

Для очень высоких частот и УКВ (30 - 1000 МГц) преобладает Р. р. внутри тропосферы и проникновение сквозь ионосферу. Роль земной волны падает. Поля помех в НЧ-части этого диапазона всё ещё могут определяться отражениями от ионосферы, и до частоты 60 МГц ионосферное рассеяние продолжает играть значит. роль. Все виды Р. р., за исключением тропосферного рассеяния, позволяют передавать сигналы с шириной полосы частот в неск. МГц. В этой части спектра возможно очень высокое качество звукового радиовещания при дальности 50-100 км. Радиовещание с частотной модуляцией работает на частотах вблизи 100 МГц.

В этом же диапазоне частот ведётся телевиз. вещание. Для радиоастрономии выделено неск. узких спектральных полос, к-рые используют также для космич. связи, радиолокации, метеорологии, кроме того, для любительской связи.

Волны УВЧ и СВЧ (1000-10 000 МГц) распространяются в осн. в пределах прямой видимости и характеризуются низким уровнем шумов. В этом диапазоне при Р. р. играют роль известные области макс. поглощения и частоты излучения хим. элементов (напр., линии водорода вблизи 1420 МГц). В этом диапазоне размещены многоканальные системы широкополосной связи для передачи телефонных и телевиз. сигналов. Высокая направленность антенн позволяет использовать низкий уровень мощности в радиорелейных системах, а тропосферное рассеяние обеспечивает дальность радиосвязи ~ 800 км. Этот диапазон применяют в радионавигац. и радиолокац. службах. Для радиоастрономич. наблюдений выделены полосы частот за атомарным водородом, радикалом ОН и континуальным излучением. В космич. радиосвязи полоса частот ~ 1000- 10 000 МГц - наиб. важная часть радиодиапазона.

Волны СВЧ (>10 ГГц) распространяются только в пределах прямой видимости. Потери в этом диапазоне неск. выше, чем на более низких частотах, причём на их величину сильно влияет кол-во осадков. Роет потерь на этих частотах частично компенсируется возрастанием эффективности антенных систем. СВЧ служат в радиолокации, радионавигации и метеорологии. На линиях связи между поверхностью Земли и космосом могут использоваться частоты < 20 ГГц. Для связи в космосе могут применяться значительно более высокие частоты. При этом отсутствуют взаимные помехи между космич. и некосмич. службами. Диапазон СВЧ важен также для радиоастрономии.

Лит.: Долуханов М. П., Распространение радиоволн, 4 изд., М., 1972; Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973; Гинзбург В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, 2 изд., М., 1967; Татарский В. И., Распространение волн в турбулентной атмосфере, М., 1967; Fок В. А., Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн, М., 1970; Гуревич А. В., Шварцбург А. Б., Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере, М., 1973; Железняков В. В., Электромагнитные волны в космической плазме, М., 1977.

П. А. Беспалов, М. Б, Виноградова .

При определении дальности действия радиосистем приходится учитывать поглощение и преломление радиоволн при их распространении в атмосфере, их отражение от ионосферы, влияние подстилающей поверхности вдоль трассы, по которой распространяется радиосигнал.

Степень влияния этих факторов зависит от частотного диапазона и условий эксплуатации радиосистемы (время суток,географический район, высота антенны передатчика и приемника).

Влияние поглощения и преломления радиоволн наиболее существенно в нижнем основном слое атмосферы, называемом тропосферой. Тропосфера простирается по высоте до 8-10 км в полярных районах и до 16-18 км в тропических широтах Земного шара. В тропосфере сосредоточена основная часть водяного пара, образуются облака и турбулентные потоки, что влияет на распространение радиоволн, особенно миллиметрового, сантиметрового и дециметрового диапазонов, используемых в радиолокации и ближней радионавигаций.

Отражение радиоволн от ионосферы наиболее сильно сказывается на декаметровых и более длинных волнах, применяемых в системах навигации и связи.

Рассмотрим кратко влияние перечисленных факторов.

Влияние затухания радиоволн в тропосфере связано с их поглощением молекулами кислорода и водяного пара, гидрометеорами (дождь, туман, снег) и твердыми частицами. Поглощение и рассеяние ведет к снижению плотности потока мощности радиоволны с расстоянием по экспоненциальному закону, т. е. мощность сигнала на входе ослабляется в раз. Значение множителя ослабления зависит от коэффициента затухания , и расстояния, проходимого радиоволнами D. Если коэффициент , вдоль всей трассы постоянен и рассматривается случай активной РЛС с пассивным ответом, то и мощность сигнала на входе приемника уменьшается за счет затухания от до

Если выразить , в , то . При наличии в атмосфере гидрометеоров и других частиц коэффициент затухания , является суммой частных коэффициентов затухания, вызванных поглощением молекулами кислорода и водяного пара, а также влиянием жидких и твердых частиц. Молекулярное поглощение в атмосфере происходит в основном на частотах, близких к резонансным. Резонансные линии всех газов атмосферы, за исключением кислорода и водяного пара, расположены вне диапазона радиоволн, поэтому существенно влияет на дальность действия РТС только поглощение молекулами кислорода и водяного пара. Поглощение молекулами водяного пара максимально на волне , а молекулами кислорода - на волнах .

Таким образом, молекулярное поглощение значительно в сантиметровом и особенно в миллиметровом диапазонах, где оно ограничивает дальность действия радиосистем, особенно радиолокационных, работающих по отраженным сигналам.

Другой причиной, вызывающей потери энергии сигнала при распространении, является рассеяние радиоволн, прежде всего дождевыми каплями и туманом. Чем больше отношение радиуса капли , к длине волны , к длине волны , тем больше потери энергии за счет ее рассеяния во всех направлениях. Это рассеяние возрастает пропорционально четвертой степени частоты, поскольку ЭПР капли при

где - диэлектрическая проницаемость воды.

Если известны диаметр капель и их число на единицу объема, то можно определить коэффициент затухания . В справочниках коэффициент , для дождя обычно указывается в зависимости от его интенсивности и длины волны . В сантиметровом диапазоне коэффициент затухания изменяется приблизительно пропорционально квадрату частоты сигнала . Если на частоте при мм/ч, , то на частоте при той же интенсивности дождя .

Ослабление радиоволн в тумане прямо пропорционально концентрации воды в нем. Ослабление радиоволн в результате града и снега значительно меньше, чем в результате дождя или тумана, и их влиянием обычно пренебрегают.

Максимальная дальность действия РЛС с учетом затухания может быть найдена по формуле

если известна дальность действия в свободном пространстве . Это уравнение можно решать графически, представив в логарифмической форме . После простых преобразований найдем

Обозначим относительное уменьшение дальности и запишем уравнение в виде, удобном для графического решения:

На рис 9.4 привидена зависимость позволяющая при заданных и найти , а следовательно, .

Влияние рефракции радиоволн в атмосфере. Рефракцией (преломлением, искривлением) радиоволн называют отклонение распространения радиоволн от прямолинейного при прохождении ими среды с изменяющимися электрическими параметрами. Преломляющие свойства среды характеризуются коэффициентом преломления , определяемым ее диэлектрической проницаемостью . Вместе с коэффициент преломления в атмосфере меняется с высотой . Скорость изменения с высотой характеризуется градиентом , значение и знак которого характеризуют рефракцию.

При рефракция отсутствует. Если , то рефракцию считают отрицательной и траектория радиоволны искривляется в сторону от поверхности Земли. рефракция положительна и траектория радиоволны искривлена в сторону Земли, что приводит к ее огибанию радиоволной и увеличению дальности действия радиосистем и, в частности, дальности радиолокационного обнаружения кораблей и низколетящнх .

Для нормального состояния атмосферы , т. е. рефракция положительна, что ведет к увеличению дальности радиогоризонта. Влияние нормальной рефракции учитывается кажущимся увеличением радиуса Земли в раза, что равносильно увеличению дальности радиогоризонта до . Радиус кривизны траектории радиоволны обратно пропорционален градиенту , т. е. . При радиус кривизны траектории радиоволны равен радиусу Земли , и радиоволна, направленная горизонтально, распространяется параллельно поверхности Земли, огибая ее. Это случай критической рефракции, при котором возможно значительное увеличение дальности действия РЛС.

При аномальных условиях в тропосфере (резкое увеличение давления, влажности, температуры) возможна и сверхрефракция, при которой радиус кривизны траектории радиоволны становится меньше радиуса Земли. При этом в тропосфере возможно волноводное распространение радиоволн на очень большие расстояния, если антенна РЛС и объект находятся на высотах в пределах слоя тропосферы, образующего волноводный канал.

Влияние подстилающей поверхности. Кроме атмосферной рефракции огибание земной поверхности происходит вследствие дифракции радиоволн. Однако в зоне тени (за горизонтом) напряженность радиоволн быстро падает из-за потерь в подстилающей поверхности, которые быстро растут с увеличением частоты радиосигнала. Поэтому только на волнах более 1000 м поверхностная волна, т. е. волна, огибающая поверхность Земли, может обеспечить большую дальность действия системы (несколько сотен и даже тысяч километров). Поэтому в РНС дальнего действия используют волны длинноволнового и сверхдлинноволнового диапазонов.

Затухание поверхностной волны зависит от диэлектрической проницаемости и электропроводности подстилающей поверхности, причем для морской поверхности и для песчаных или горных пустынь; при этом изменяется в пределах 0,0001 - 5 См/м. С уменьшением проводимости почвы затухание резко увеличивается, поэтому наибольшая дальность действия обеспечивается при распространении радиоволн над морем, что существенно для морской радионавигации.

Влияние подстилающей поверхности сказывается не только на дальности действия РНС, но и на их точности, поскольку фазовая скорость распространения радиоволн также зависит от параметров подстилающей поверхности. Создаются специальные карты поправок фазовой скорости в зависимости от параметров подстилающей поверхности, однако, поскольку эти параметры меняются в зависимости от времени года и суток и даже погоды, полностью исключить погрешности местоопределения, вызванные изменением фазовой скорости распространения радиоволн, практически невозможно.

Радиоволны с длиной более 10 м могут распространяться за горизонт также в результате однократного или многократного отражения от ионосферы.

Влияние отражения радиоволн ионосферой. Радиоволны, достигающие приемной антенны после отражения ионосферой, называют пространственными.

Такие волны обеспечивают очень большую дальность действия, что я используется в связных системах коротковолнового (декаметрового) диапазона. На пространственных волнах осуществляется также сверхдальнее радиолокационное обнаружение некоторых целей (ядерных взрывов и запуска ракет) с помощью отраженных целью сигналов, которые на трассе распространения испытывают одно или несколько отражений от ионосферы и поверхности Земли. Явление приема таких сигналов (эффект Кабанова) было открыто советским ученым Н. И. Кабановым в 1947 г. РЛС, основанные на этом эффекте, называют ионосферными или загоризонтными. В таких станциях, работающих на волнах длиной 10-15 м, как и в обычных РЛС, дальность цели определяется по времени запаздывания сигнала, а направление фиксируется с помощью направленной антенны. Вследствие неустойчивости ионосферы точность таких станций невелика, а расчет дальности действия представляет сложную задачу из-за трудности учета потерь на рассеяние и поглощение радиоволн на пути распространения, а также при их отражении от Земли и ионосферы. При этом нужно учитывать также потери из-за изменения плоскости поляризации радиоволн.

Зависимость высоты ионосферы от многих причин приводит к непредсказуемым изменениям задержки сигнала, что затрудняет использование пространственных волн для радионавигации. Более того, интерференция пространственных и поверхностных волн ведет к искажению поверхностного сигнала и снижает точность местоопре-деления.

В заключение рассмотрим особенности распространения радиоволн мириаметрового (сверхдлинноволнового) диапазона длиной 10-30 км, применяемых в системах глобальной навигации наземного базирования. Эти волны плохо поглощаются подстилающей поверхностью и хорошо отражаются от нее, а также от ионосферы как ночью, так и днем. В результате сверхдлинные волны распространяются вокруг Земли, как в волноводе, ограниченном поверхностью Земли и ионосферой, на очень большие расстояния. При этом изменение скорости распространения и фазовые сдвиги можно прогнозировать, что обеспечивает точность местоопределения, достаточную для судовождения в открытом море.

В настоящее время для глобальной навигации применяют спутниковые РНС, в которых благодаря большой высоте орбит ИСЗ обеспечивается прямая «видимость» на больших расстояниях при использовании дециметровых волн, которые свободно проходят через ионосферу Дециметровые волны позволяют получать с помощью спутниковых РНС очень высокую точность местоопределения в рабочей области системы, которая для глобальных СРНС охватывает все околоземное пространство.

Напишите уравнение дальности РЛС в свободном пространстве.

Каким образом дальность действия РЛС зависит от ее длины волны?

Как влияет отражение радиоволн от поверхности Земли на дальность действия РЛС?

В чем особенность обнаружения низкорасположенных объектов?

Каковы основные причины ослабления радиолокационного сигнала при распространении?

Определите дальность действия РЛС трехсантиметрового диапазона, работающей в условиях дождя интенсивностью мм/ч(). Дальность действия РЛС в свободном пространстве .

При каких условиях рефракция радиоволн приводит к аномальному увеличению дальности действия РЛС?

В чем выражается влияние подстилающей поверхности на работу РНС?

Что такое «эффект Кабанова» и как его применяют на практике?

Почему в глобальных РНС наземного базирования используются радиоволны СДВ-диапазона?