Свойства атмосферы и земной поверхности, влияющие на распространение радиоволн

1. СВОЙСТВА АТМОСФЕРЫ И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН.

Хасанов.Р
14ТОРРТ-2

2.

Воздействие радиоволн на приемное
устройство, находящееся на некотором
расстоянии от излучателя, удобно
оценивать величиной напряженности
электрического поля E, которую имеют
радиоволны в пункте приема.
Напряженность поля обратно
пропорциональна расстоянию r между
излучателем и приемным устройством. В
случае изотропного излучателя
напряженность поля вычисляется из
соотношения

3.

Здесь E - действующее значение напряженности
электрического поля волн, выражаемое в вольтах на
метр (в/м); - мощность излучения в ваттах; r расстояние в метрах. На значительных расстояниях
от излучателя поле получается слабым и его
напряженность удобнее выражать в микровольтах
на метр (мкв/м).
В качестве примера определим напряженность
поля изотропного излучателя при мощности
излучения 10 кВт на расстоянии 5000 км в
свободном пространстве:

4.

Чтобы оценить эту напряженность поля с точки зрения
возможностей радиоприема, нужно, строго говоря,
сопоставить ее с напряженностью поля помех в том же
пункте приема. Практически можно указать, что
радиослушатели ведут прием художественного вещания при
напряженностях поля в сотни и тысячи микровольт на метр,
тогда как для радиоприема в профессиональной связи
иногда удовлетворительной оказывается напряженность
поля в единицы и десятки микровольт на метр.
Но создать строго изотропное излучение радиоволн
практически невозможно, да и не нужно. Реальные антенны
имеют направленное излучение; оно
характеризуется коэффициентом направленного действия
D, который показывает, во сколько раз поток мощности в
направлении максимального излучения больше, чем
средний поток мощности. Для свободного пространства
напряженность поля в направлении максимального
излучения реальной антенны

5.

Следовательно, эффект направленности излучения
антенны равноценен увеличению мощности
излучения в D раз, т.е. благоприятен для связи по
направлению максимального излучения.
Если излучатель находится над идеально
проводящей плоскостью (в свободном
"полупространстве"), то волны, падающие на эту
плоскость, отражаются в верхнее
полупространство и мощность
распространяющихся волн удваивается. В этих
идеальных условиях напряженность

6.

Все три приведенные формулы
называются формулами идеальной радиопередачи.
Характерно то, что в этих условиях напряженность
поля не зависит от длины волны! Однако нам уже
известно, что сопротивление излучения при
данной длине антенны уменьшается с удлинением
волны. Следовательно, и мощность излучения
зависит от длины волны.

7.

От длины волны зависят не только условия излучения, но и
условия распространения радиоволн. Во-первых, при
наземной радиосвязи распространение радиоволн
происходит в земной атмосфере, свойства которой могут
существенно отличаться от свойств свободного
пространства. Во-вторых, радиоволны распространяются
над земной поверхностью, которая не является плоской и не
обладает идеальной проводимостью. И атмосфера, и земная
поверхность оказывают большое влияние на законы
распространения радиоволн и создают сложную
зависимость напряженности поля от длины волны в пунктах
приема. Следовательно, даже при заданных величинах
мощности излучения и коэффициента направленности
антенны напряженность поля в каком-то пункте будет для
волн разной длины существенно различной. Разделение
радиоволн на диапазоны в значительной мере определяется
особенностями их распространения. Более того,
особенности распространения радиоволн разных
диапазонов учитываются при выборе назначений или
областей применения этих диапазонов.

8.

Разделение всей шкалы радиочастот (радиоволн)
на диапазоны и наиболее характерные области
применения их показаны в табл.7-1.

9.

Путь от передающей антенны к приемной радиоволны
совершают в атмосфере Земли. Атмосфера довольно
капризна. Движение облаков, дожди и снегопады, грозы и
штормы, изменения, происходящие в атмосфере при
переходе от дня к ночи и от лета к зиме, и другие
атмосферные явления влияют на распространение
радиоволн. Изучение распространения радиоволн - важный
раздел радиофизики.
Для радиофизика наибольший интерес
представляют тропосфера, т. е. нижний слой атмосферы
(высота верхней границы тропосферы 8-12 км),
и ионосфера (расположена между высотами 80 и 800 км) область, где атмосферные газы частично ионизованы
действием солнечного излучения.

10.

Рис. 15. Строение ионосферы и ее воздействие на
радиоволны различных диапазонов.

11.

Ионосфера изменчива, она состоит из нескольких слоев,
обозначаемых буквами D, Е, F1 и F2 (рис. 15), причем нижний
слой Dсуществует только днем, пока светит Солнце. Меняется
в зависимости от времени суток и степень ионизации (т. е.
концентрация заряженных частиц - электронов и ионов)
других слоев ионосферы. Поэтому и условия радиосвязи днем
и ночью различны. Например, короткие волны делятся на
"ночные" и "дневные". Ночью связь на большие расстояния в
коротковолновом диапазоне легче установить на волнах от 50
до 100 м, а днем - от 10 до 50 м.
Состояние ионосферы зависит не только от времени суток, но
и от времени года, географического положения, активности
Солнца... В разных точках земного шара работают
специальные станции, которые следят за ионосферой. По
данным этих станций можно предсказать состояние
ионосферы и составить прогноз распространения радиоволн
на несколько месяцев вперед. Такие прогнозы издаются в
нашей стране и в других странах и помогают выбрать
наилучшие условия для радиосвязи.

12.

Длинные волны хорошо отражаются от Земли и нижнего слоя
ионосферы, которые являются для волн этого диапазона как бы
двумя стенками волновода. По волноводу Земля - ионосфера
длинные волны могут распространяться на расстояния в
несколько тысяч километров.
Длинноволновые радиостанции работают на длинах волн, не
превышающих 20—25 км. Однако в природе есть источник
сверхдлинных волн — до 35—100 км и более. Этот источник —
разряды молний. Возбуждаемые молниями радиосигналы
называютсяатмосфериками. В любой точке земного шара можно в
любую минуту зарегистрировать несколько таких сигналов.
Изучение атмосфериков дает дополнительные сведения о
свойствах ионосферы.
Средние волны днем сильно поглощаются нижним
слоем Dионосферы и могут распространяться только вдоль земной
поверхности, огибая земной шар за счет дифракции. После захода
Солнца слой Dисчезает, а следующий слой Е ионосферы отражает
средние волны, поэтому ночью к прямой волне,
распространяющейся вдоль поверхности Земли, добавляются
волны, отраженные от ионосферы. Благодаря отраженным волнам
связь на средних волнах возможна ночью на более далекие
расстояния. Однако из-за интерференции отраженных волн с
прямой и друг с другом принимаемый сигнал временами
ослабевает. Это явление называют федингом или замиранием
сигнала.

13.

Рис. 16. Благодаря отражениям от ионосферы и от
поверхности Земли сигналы коротковолновой
радиостанции могут приниматься в удаленных точках
Земли.

14.

Связь на длинных и средних волнах довольно устойчива и мало подвержена
влиянию атмосферных помех. Но эти волны постепенно затухают по мере удаления
от передающей радиостанции, поэтому для связи на большие расстояния (более
1000 км) нужны очень мощные радиостанции. А вот на коротких волнах даже
сигнал маленькой радиолюбительской станции при благоприятных условиях
можно принять в любой точке земного шара. Короткие волны могут многократно
отражаться от ионосферы и поверхности Земли и огибать нашу планету (рис. 16).
Но поскольку короткие волны отражаются в основном от верхнего слоя
ионосферы F2, они наиболее чувствительны к всевозможным изменениям,
происходящим в ионосфере. Показанная на рисунке 15 структура ионосферы
нестабильна и под действием вспышек солнечного излучения может временно
нарушаться. Это приводит к внезапным ухудшениям условий радиосвязи на
коротких волнах. Бывает даже, что радиосвязь на коротких волнах днем полностью
исчезает на время от нескольких минут до нескольких часов.
Ультракороткие волны — короче 5—7 м. — и СВЧ волны свободно проходят сквозь
атмосферу. Именно на этих волнах осуществляется связь с космическими
кораблями. В этом же диапазоне длин волн работает и радиоастрономия,
изучающая радиоизлучение небесных тел (см. т. 2 ДЭ, ст. "Как работают
астрономы"). Среди излучений небесных тел встречаются электромагнитные
волны любых диапазонов - и длинные, и СВЧ, и субмиллиметровые, и световые, и
ультрафиолетовые, и даже рентгеновские. Это обнаружено приборами,
установленными на искусственных спутниках Земли. Атмосфера же не пропускает
большую часть этих волн к Земле.
В атмосфере есть всего два "окна": в области видимого света и в области УКВ и СВЧ.
Первым "окном" люди пользуются уже тысячи лет, глядя на звезды в телескопы,
подзорные трубы или просто невооруженным глазом. А вот "радиоокно" было
обнаружено лишь в XX в. благодаря применению в астрономии радиофизических
методов.

15.

Рис. 17. Сверхдальнее распространение ультракоротких
воли в приземном слое воздуха — атмосферном
волноводе.

16.

При наземной связи УКВ и СВЧ волны
распространяются в тропосфере лишь в зоне
прямой видимости, поэтому телевизионные
антенны стараются поднять как можно выше. Но
иногда и эти волны могут приниматься далеко за
линией горизонта. При некоторых значениях
температуры и влажности они распространяются в
приземном слое воздуха толщиной несколько сотен
метров, не выходя за пределы этого слоя, как в
волноводе (рис. 17). Этот слой
называютатмосферный волновод.
Поглощение и рассеяние радиоволн каплями
дождя, снежинками, облаками и другими
неоднородностями атмосферы помогают
метеорологам изучать атмосферу и предсказывать
погоду.

17. Спасибо за внимание.