Реферат виконав: Анікін С. В.
Далекосхідний Державний Технічний Університет (ДВПИ ім. В. В. Куйбишева)
Закони поширення радіохвиль у вільному просторі порівняно прості, але частіше за все радіотехніка має справу не з вільним простором, а з поширенням радіохвиль над земною поверхнею. Як показують і досвід і теорія, поверхня Землі сильно впливає на поширення радіохвиль, причому позначаються як фізичні властивості поверхні (наприклад, відмінності між морем і сушею), так і її геометрична форма (загальна кривизна поверхні земної кулі і окремі нерівності рельєфу - гори, ущелини і т.п.). Вплив це по-різному для хвиль різної довжини і для різних відстаней між передавачем і приймачем. Способи поширення радіохвиль істотно залежать від довжини хвилі, від освітленості земної атмосфери Сонцем і від ряду інших факторів.
У процесі поширення, радіохвилі відчувають ослаблення, пов'язане з рядом причин. У міру віддалення від передавача енергія поширюється все в більшому обсязі, отже, щільність потоку енергії зменшується. Середовище, в якому поширюються радіохвилі, також викликає їх ослаблення. Це пов'язано з поглинанням енергії хвиль внаслідок теплових втрат і зменшенням напруженості поля хвилі при обгинанні перешкод у вигляді опуклості земної кулі або височин.
Мал. 1. Структура електромагнітних хвиль для деякого моменту часу.
У кожній точці простору вектор напруженості електричного поля хвилі Е перпендикулярний вектору напруженості магнітного поля Н, і обидва вектори перпендикулярні напрямку розповсюдження хвилі.
Поширення радіохвиль підпорядковується певним загальним законам:
Прямолінійне поширення в однорідному середовищі, тобто середовищі, властивості якої у всіх точках однакові.
Віддзеркалення і заломлення при переході з одного середовища в іншу. Кут падіння дорівнює куту відбиття.
Дифракція. Зустрічаючи на своєму шляху непрозоре тіло, радіохвилі огинають його. Дифракція виявляється в різній мірі залежно від співвідношення геометричних розмірів перешкоди і довжини хвилі.
Рефракція. У неоднорідних середовищах, властивості яких плавно змінюються від точки до точки, радіохвилі поширюються по криволінійних траєкторіях. Чим різкіше змінюються властивості середовища, тим більше кривизна траєкторії.
Повне внутрішнє віддзеркалення. Якщо при переході з оптично більш щільного середовища в менш щільну, кут падіння перевищує деякі критичні значення, то промінь в другу середу не проникає і повністю відбивається від межі розділу середовищ. Критичний кут падіння називають кутом повного внутрішнього відображення.
Інтерференція. Це явище спостерігається при додаванні в просторі декількох хвиль. У різних точках простору виходить збільшення або зменшення амплітуди результуючої хвилі в залежності від співвідношення фаз складаються хвиль.
Радіохвилі, що поширюються біля поверхні землі і, внаслідок дифракції, частково огинають опуклість земної кулі, називаються поверхневими хвилями. Поширення поверхневих хвиль сильно залежить від властивостей земної поверхні.
Радіохвилі, що поширюються на великій висоті в атмосфері і повертаються на землю внаслідок відображення від атмосферних неоднорідностей, називаються просторовими хвилями.
Область істотна для поширення хвиль
При поширенні радіохвиль в однорідному безмежному просторі різні області цього простору неоднаково впливають на процес формування поля в точці прийому. Щоб визначити істотну область простору, яка відіграє визначальну роль, звернемося до принципу хвилеводної оптики - принципу Гюйгенса-Френеля.
Припустимо, що в точці А розташований точковий випромінювач: потрібно визначити напруженість електричного поля EB-якій точці В на відстані R від випромінювача. Проведемо подумки навколо випромінювача довільну замкнуту поверхню S (рис.2).
Згідно з принципом Гюйгенса - Френеля: кожну точку на поверхні S можна вважати джерелом вторинних сферичних хвиль (віртуальним джерелом), а поле в точці В можна визначити в результаті векторного підсумовування полів всіх таких вторинних випромінювачів на поверхні S. Кожен з вторинних випромінювачів володіє діаграмою спрямованості, максимум його випромінювання збігається з нормаллю до поверхні S в даній точці.
Щоб простежити процес формування поля в точці В, припустимо, що на відстані R1 від точки В перпендикулярно лінії АВ розташований екран, непрозорий для радіохвиль нескінченних розмірів. Замкнуту навколо точки А поверхню S виберемо складається з площини екрану і нескінченно віддаленої півсфери, що охоплює точку А і спирається на екран. Якщо отвори в екрані немає, то через непрозорість екрану поле в точці В дорівнюватиме 0
Рис.2 Поширення радіохвиль в однорідному безмежному просторі
Мал. 3. Формування поля радіохвиль
Вплив поверхні Землі на поширення радіохвиль залежить від розташування радиотрасс щодо її поверхні. Поширення радіохвиль - просторовий процес, захоплюючий велику область. Але найбільш істотну роль в цьому процесі відіграє частину простору, обмежена поверхнею, що має форму еліпсоїда обертання, в фокусах якого А і В розташовані передавач і приймач (рис. 4).
Мал. 4. Область, істотна при поширенні радіохвиль: А - передавальна антена; В - приймальня; Z1 і Z2 - їх висоти над поверхнею Землі.
Велика вісь еліпсоїда практично дорівнює відстані R між передавачем і приймачем, а мала вісь
, тим вже еліпсоїд, в оптичному діапазоні він вироджується в пряму лінію (світловий промінь). Якщо висоти Z1 і Z2, на яких розташовані антени передавача і приймача щодо поверхні Землі, великі в порівнянні з
, то еліпсоїд не стосується поверхні Землі (рис. 4, а). Поверхня Землі не робить в цьому випадку впливу на поширення радіохвиль (вільне поширення). При зниженні обох або однієї з кінцевих точок радиотрасс еліпсоїд торкнеться поверхні Землі (рис. 4, б) і на пряму хвилю, що йде від передавача до приймача, належиться поле відбитої хвилі. Якщо при Z1 >>
, то це поле можна розглядати як промінь, відбитий земною поверхнею за законами геометричної оптики. Поле в точці прийому визначається інтерференцією прямого і відбитого променів. Інтерференційні максимуми і мінімуми обумовлюють пелюсткову структуру поля (рис. 5). Умова Z1 і Z2 >>
практично може виконуватися тільки для метрових і коротших хвиль, тому пелюсткова структура поля характерна для ультракоротких хвиль (УКХ).
Мал. 5. Пелюсткова структура поля в точці прийому.
істотна область розширюється і перетинає поверхню Землі. У цьому випадку вже не можна представляти хвилеве поле як результат інтерференції прямий і відображеної хвиль. Вплив Землі на поширення радіохвиль цьому випадку обумовлено декількома факторами: земля має значну електропровідність, тому поширення радіохвиль уздовж поверхні Землі призводить до теплових втрат і ослаблення хвилі. Втрати енергії в землі збільшуються зі зменшенням
.
Рис.6. Поширення радіохвиль.
Крім ослаблення, відбувається також зміна структури поля хвилі. Якщо антена у поверхні Землі випромінює поперечну лінійно-поляризованої хвилю, у якій напруженість електричного поля Е перпендикулярна поверхні Землі, то на великих відстанях від випромінювача хвиля стає еліптично поляризованої [1] (рис. 6). Величина горизонтальної компоненти Ex значно менше вертикальної Ez і убуває зі збільшенням провідності s земної поверхні. Виникнення горизонтальної компоненти дозволяє вести прийом земних хвиль на т. Зв. земні антени (2 провідника, розташовані на поверхні Землі або на невеликій висоті). Якщо антена випромінює горизонтально-поляризовану хвилю (Е паралельно поверхні Землі), то поверхня Землі послаблює поле тим більше, чим більше s, і створює вертикальну складову. Вже на невеликих відстанях від горизонтального випромінювача вертикальна компонента поля стає більше горизонтальної. При поширенні уздовж Землі фазова швидкість земних хвиль змінюється з відстанню, проте вже на відстані приблизно декількох
від випромінювача вона стає рівною швидкості світла, незалежно від електричних властивостей грунту.
Мал. 7. Висота кульового сегмента, що характеризує опуклість Землі
Опуклість Землі є своєрідним "перешкодою" на шляху радіохвиль, які, діфрагіруя, огинають Землю і проникають в "область тіні". Т. к. Дифракція хвиль помітно проявляється тоді, коли розміри перешкоди порівнянні або менше
, а розмір опуклості Землі можна охарактеризувати висотою кульового сегмента h (рис. 7), який відсікається площиною, яка проходить через хорду, що сполучає точки розташування приймача і передавача (див. табл. 1), то умова h<<
виконується для метрових і довших хвиль. Якщо врахувати, що зі зменшенням
збільшуються втрати енергії в Землі, то практично тільки кілометрові і більш довгі хвилі можуть проникати глибоко в область тіні (рис. 8).
Рис.8. Графік зміни напруженості поля з відстанню r (в км). За вертикальної осі відкладена величина множника ослаблення, який визначається відношенням напруженості поля в реальних умовах поширення до величини напруженості поля при поширенні у вільному просторі.
Висота кульового сегмента h для різних відстаней між передавачем і приймачем
Земна поверхня неоднорідна, найбільш істотний вплив на поширення радіохвиль надають електричні властивості ділянок траси, що примикають до передавача і приймача. Якщо радиотрасс перетинає лінію берега, т. Е. Відбувається над сушею, а потім над морем, то при перетині берегової лінії різко зміниться напруженість поля (рис. 9), т. Е. Амплітуда і напрямок поширення хвилі (берегова рефракція). Однак берегова рефракція є місцевим обуренням поля радіохвилі, що зменшується в міру віддалення від берегової лінії.
Мал. 9. Зміна напруженості електричного поля на кордоні двох середовищ
Рельєф земної поверхні також впливає на поширення радіохвиль. Це вплив залежить від співвідношення між висотою нерівностей поверхні h, горизонтальної протяжністю l і кутом падіння q хвилі на поверхню (рис. 7). Якщо виконуються умови:
то нерівності вважаються малими і пологими. У цьому випадку вони мало впливають на радіохвиль. При збільшенні q умови (1) можуть порушуватися. При цьому енергія хвилі розсіюється, і напруженість поля в напрямку відбитого променя зменшується (виникають дифузні відображення).
Високі пагорби, гори і т.п. крім того, сильно "обурюють" поле, утворюючи затінені області. Дифракція радіохвиль на гірських хребтах іноді призводить до посилення хвилі через інтерференції прямих і відбитих від поверхні Землі хвиль (рис. 10).
Мал. 10. Посилення радіохвиль при дифракції на непологіх нерівностях.
Земна кора, а також води морів і океанів мають провідність і сильно поглинають радіохвилі. Для осадових порід в поверхневому шарі земної кори питома провідність 10-3-10-2 Ом-1м-1. Крім того, для середовищ з великою питомою провідністю коефіцієнт поглинання збільшується з ростом частоти. Тому для підземного радіозв'язку використовуються в основному довгі і наддовгі хвилі. В підводного зв'язку поряд з наддовгими хвилями використовують хвилі оптичного діапазону.
Мал. 11. Принцип підземного радіозв'язку.
У системах зв'язку між підземними або підводними пунктами може бути використано часткове поширення уздовж поверхні Землі або моря. Вертикально поляризована хвиля, що збуджується підземною передавальною антеною, поширюється до поверхні Землі, заломлюється на межі поділу між Землею і атмосферою, поширюється уздовж земної поверхні, і потім приймається підземній приймальні антеною (рис. 11). Глибина занурення антен досягає десятків метрів. Системи цього типу забезпечують дальність до декількох сотень кілометрів і застосовуються, наприклад, для зв'язку між підземними пунктами управління при запуску ракет. Системи ін. Типу використовують підземні хвилеводи - шари земної кори, що володіють малою провідністю і, отже, малими втратами. До таких порід відносяться кам'яна сіль, поташ та ін. Ці породи залягають на глибинах до сотень метрів і забезпечують дальність поширення радіохвиль до декількох десятків кілометрів. Подальшим розвитком цього напрямку є використання твердих гірських порід (гранітів, гнейсів, базальтів і ін.), Розташованих на великих глибинах і мають малу провідність (рис. 12). На глибині 3-7 км питома провідність може зменшитися до 10-11 Ом-1м-1. При подальшому збільшенні глибини завдяки зростанню температури створюється іонізація (обернена іоносфера) і провідність збільшується. Утворюється підземний хвилевід завтовшки в декілька км, в якому можливо поширення радіохвиль на відстані до декількох тис. Км. Одна з основних проблем підземної і підводної зв'язку - розрахунок випромінювання і передачі енергії від антен, розташованих в провідному середовищі.
Мал. 12. Зміна провідності Землі s з глибиною.
Перевага систем підземного зв'язку полягає в їх незалежності від бур, ураганів і штучних руйнувань на поверхні Землі. Крім того, завдяки екрануючій дії верхніх проводять осадових порід системи підземного зв'язку мають високу помехозащищенностью від промислових і атмосферних шумів.
Фейнберг Е. Л. Поширення радіохвиль уздовж земної поверхні, М. 1961;
Альперт Я. Л. Поширення електромагнітних хвиль і іоносфера, М. 1972;
Гуревич А. В. Шварцбург А. Б. Нелінійна теорія поширення радіохвиль в іоносфері, М. 1973;
Бреховских Л. М. Хвилі в шаруватих середовищах, 2 видавництва. М. 1973;
Татарський В. І. Поширення хвиль в турбулентному атмосфері, М. 1967;
Чернов Л. А. Поширення хвиль в середовищі з випадковими неоднорідностями, М. 1958;
Гінзбург В. Л. Поширення електромагнітних хвиль в плазмі, М. 1967;
Долуханов М. П. Поширення радіохвиль, 4 видавництва. М. 1972
[1] Нахил фронту хвилі - при поширенні радіохвилі, яка зазвичай має кругову поляризацію над полупроводящей землею, внаслідок неоднакового значення параметрів ґрунту для електричної та магнітної складової радіохвилі кругова поляризація переходить в еліптичну. Чим вище провідність грунту, тим більше ексцентриситет еліпса, і тим ближче поляризація до плоскої.