§ 2.11. Розрахунок напруженості електричного поля в зоні тіні (дифракції)
На початку розвитку радіотехніки, коли не було відомо про існування іоносфери, робилися спроби пояснити проникнення радіохвиль за межі прямої видимості тільки дифракцией. Рішення завдання поширення земної хвилі поблизу полупроводящей сфери виявилося досить складним. Необхідно було вирішити хвильове рівняння в сферичної системі координат. Рішення в придатній для розрахунків формі було отримано Г. Ватсоном в 1918 р для добре провідної поверхні (60 # 947; # 955; >> # 949;). Над удосконаленням цього рішення працювали Т. Еккерслей, Б. А. Введенський, Б. Ван-дер-Поль, якими були отримані формули для визначення напруженості електричного поля на великих відстанях від передавача.
З розвитком техніки УКВ поширення ультракоротких хвиль за межі прямої видимості також намагалися пояснити дифракцией. Пізніше було встановлено, що порівняно високі значення напруженості електричного поля обумовлені впливом тропосфери на поширення УКХ.
У 1945 р радянський вчений В. А. Фок отримав загальне вираз для напруженості електричного поля в місці прийому, придатне для будь-яких відстаней від передавача. Однак визначення напруженості поля за формулою Фока пов'язане зі складними обчисленнями, оскільки ця формула є ряд, погано сходиться при невеликих відстанях від передавача [6].
Для значних відстаней, в області тіні, коли опуклість Землі екранує точку прийому, можна враховувати тільки перший член ряду і розраховувати напруженість поля за формулою
де Е0m визначається за формулою (1.8); F - множник ослаблення.
Множник ослаблення є твором трьох функцій:
Тут U (х) - функція, що залежить від відстані і електричних параметрів ґрунту; V (y1), V (y2) - функції, що залежать від підйому передавальної і приймальні антен. Параметри х, у1. у2 визначаються наступними виразами:
Для визначення функцій U і V по підрахованими параметрами х, у1. у2 існують графіки, наведені на рис. 2.35 і 2.36.
Мал. 2.35. Графік для визначення функції ослаблення U (x)
Мал. 2.36. Графік для визначення функції висоти підйому антен V (y)
Розрахунок за цими графіками проводиться головним чином для діапазону УКВ, де застосовуються антени, високо підняті над поверхнею Землі. Розрахунок напруженості поля в діапазонах довгих, середніх і навіть коротких хвиль, коли антени розташовуються поблизу Землі, спрощується, оскільки V (y1) = V (y2) = 1.
Для визначення напруженості поля в зоні дифракції при антенах, розташованих поблизу Землі, служать графіки Міжнародного консультативного комітету по радіозв'язку (МККР), побудовані на підставі розрахунків по дифракційним формулами (рис. 2.37).
Мал. 2.37. Графіки МККР для визначення напруженості поля в зоні дифракції
На графіках наведена залежність напруженості поля від відстані для різних довжин хвиль і різних електричних параметрів земної (поверхні при потужності передавача 1 кВт. Щоб визначити напруженість поля при заданій потужності передавача, необхідно значення напруженості поля, визначене за графіком, помножити на величину
З графіків видно, що напруженість поля в зоні дифракції зменшується з відстанню за експоненціальним законом, т. Е. Набагато швидше, ніж при розповсюджень волі над плоскою земною поверхнею. Тому напруженість поля в зоні дифракції значно ослаблена. Напруженість поля тим більше, чим довше хвиля, так як зі збільшенням довжини хвилі зменшується, по-перше, вплив перешкоди - сферичності Землі, і по-друге, поглинання хвиль в полупроводящей поверхні Землі.
Контрольні запитання до розділу 2
1. Які середні значення провідності суші і моря?
2. В якому діапазоні радіохвиль щільність струмів зміщення в земної поверхні переважає над щільністю струмів провідності?
3. Виведіть співвідношення, що зв'язує фазову швидкість поширення хвилі # 965; ф з коефіцієнтом фази # 946; в полупроводящей середовищі. Який вид приймає це співвідношення для діапазону УКВ?
4. Плоскі хвилі частотою 500 і 5 МГц проходять у вологому грунті відстань 10 м. У скільки разів зміняться амплітуди тієї та іншої хвиль? Як зміняться фази хвиль?
5. У скільки разів зміниться коефіцієнт відображення горизонтально-поляризованих хвиль довжиною 30 см і 30 м при нормальному падінні їх (# 952; = 0) на суху поверхню і на болотистий грунт?
6. Визначте зміна амплітуди і фази вертикально-поляризованої плоскої хвилі довжиною 10 см при відображенні її від вологого грунту під кутом 60 ° на висоті 10 м від поверхні Землі в порівнянні з амплітудою і фазою падаючої хвилі поблизу поверхні.
7. У чому полягає явище повного відбиття і за яких умов воно може мати місце?
8. Де і в скільки разів більше відстань прямої видимості - на Землі чи на Місяці при одних і тих же висотах підняття антен h1 = 12 м, h2 = 1 м.
Радіус Землі 6370 км, радіус Місяця 1738 км.
9. Назвіть умови застосовності інтерференційної формули. В якому діапазоні радіохвиль розрахунок напруженості поля ведуть за цією формулою?
10. Намалюйте діаграми спрямованості вертикального і горизонтального вібраторів, піднятих на висоту h1 = 2 # 955; над сухим ґрунтом.
11. Як зміниться діаграма спрямованості у випадку, зазначеному в питанні 10, при вкороченні довжини хвилі вдвічі (висота h1 та ж)?
12. Як зміниться діаграма спрямованості у випадку, зазначеному в питанні 10, при збільшенні електропровідності грунту?
13. Яка ділянка земної поверхні робить істотний вплив на поширення радіохвиль, якщо антени підняті високо над поверхнею Землі?
14. За яких умов можна вести розрахунок напруженості поля за формулою Введенського?
15. Чим пояснюється квадратична залежність напруженості поля від відстані в умовах застосування формули Введенського?
16. Чи можна вважати поверхню Землі рівною, якщо висота нерівностей 16 см, довжина падаючої хвилі 8 см, кут падіння 60 °?
17. Які складові має поле Вертикального вібратора, розташованого поблизу полупроводящей поверхні Землі?
18. Яке співвідношення між горизонтальними складовими електричного поля хвиль, що поширюються над вологою землею і над морем, при # 955; = 500 м, якщо припустити, що вертикальні складові рівні?
19. Як зміниться напруженість поля, створеного вертикальним вібратором, розташованим поблизу земної поверхні, при зміні довжини хвилі з 20 до 200 м? Поверхня Землі - вологий грунт.
20. У яких діапазонах хвиль застосовуються антени типу заземленого вібратора?
21. У якому діапазоні хвиль істотно позначаються помилки у визначенні координат випромінювача, викликані берегової рефракцією?