Н.М.Изюмов, Д.П.Линде
"ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ"
М.,Л.; "ЭНЕРГИЯ", 1965г.

ГЛАВА СЕДЬМАЯ

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

7-1. 

СВОЙСТВА АТМОСФЕРЫ И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Представим себе, что в неограниченном свободном пространстве (т.е. в среде, для которой удельная проводимость , относительная магнитная проницаемость и относительная диэлектрическая проницаемость ) расположено устройство, излучающее радиоволны равномерно по всем направлениям. Такое устройство называют изотропным излучателем. Пусть мощность его излучения равна .

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

(7-1)

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:

 

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

(7-2)

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

(7-3)

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.

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.

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

Таблица 7-1
Наименование диапазона радиоволн Границы диапазона волны Границы диапазона частот Основные области применений
Сверхдлинные 10-100 км 30-3 кГц Радионавигация, радиосвязь
Длинные 1-10 км 300-30 кГц Радиосвязь, радиовещание
Средние 100-1000 м 3-0,3 МГц Радиовещание, радиосвязь
Короткие 10-100 м 30-3 МГц Радиосвязь, радиовещание
Метровые 1-10 м 300-30 МГц Радиосвязь, телевидение
Дециметровые 1-10 дм 3-0,3 ГГц Радиолокация, радиорелейная связь, радионавигация, телевидение
Сантиметровые 1-10 см 30-3 ГГц Радиолокация, радиорелейная связь
Миллиметровые 1-10 мм 300-30 ГГц Специальные применения
Субмиллиметровые 0,1-1 мм 3000-300 ГГц Освоение для специальных применений

Следует отметить, что до сих пор метровые, дециметровые и сантиметровые волны объединяются названием "ультракороткие" волны ("сверхвысокие" частоты); однако различия в свойствах распространения и особенно в конструкциях аппаратуры этих трех диапазонов, а также начало практических применений миллиметровых и субмиллиметровых волн делают объединяющее наименование "ультракороткие" волны менее употребительным.

Специально для радиолюбительской связи и экспериментов радиолюбителей отведены следующие участки в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн: 3,5-3,65 МГц, 7-7,1 МГц, 14- 14,35 МГц, 21-21,45 МГц, 28-29,7 МГц, 144-146 МГц, 430-440 МГц. Полезно запомнить, что 1 гигагерц (ГГц) = 103 мегагерц (МГц) = 106 килогерц (кГц) = 109 герц (Гц).

Для того чтобы описать влияние земной поверхности и земной атмосферы на распространение радиоволн, рассмотрим сперва свойства земли и атмосферы.

Земля является почти шарообразным телом с радиусом приблизительно 6400 км. Длина большого круга составляет, следовательно, около 40000 км. Поэтому земную поверхность нельзя считать плоской даже для двух точек, находящихся друг от друга на расстоянии в несколько десятков километров. Если, например, точки A и B находятся на расстоянии 250 км (рис. 7-1), то высота h выпуклости, их разделяющей, будет больше 1 км и волны из одной точки в другую распространяться прямолинейно не смогут. Связь между пунктами, закрытыми друг от друга выпуклостью Земли (а также наземными преградами в виде гор, холмов и др.), возможна при выполнении одного из следующих условий: либо направления (лучи) распространения волн должны быть криволинейными (огибающими выпуклость), либо излучающие и принимающие антенны должны быть подняты достаточно высоко, чтобы обеспечить "прямую видимость", либо, наконец, между корреспондентами должны быть установлены промежуточные станции, способные принимать и переизлучать (ретранслировать) радиосигналы.

Рис. 7-1. Выпуклость земной поверхности.

Волны, распространяющиеся вдоль поверхности Земли и огибающие ее выпуклость, называют поверхностными (или земными) волнами. На своем пути поверхностные волны встречают неровности, о влиянии которых можно судить, сопоставляя высоту преграды с длиной волны. Например, для длинных волн все виды неровностей земной поверхности (за исключением гор) меньше, чем длина волны, и не составляют преграды. В дециметровом же или сантиметровом диапазонах даже мелкая растительность на земле или небольшое волнение на морской поверхности способны препятствовать распространению радиоволн. Особенно сложны условия распространения поверхностных волн в городе, где здания создают многократные отражения.

Наконец, влияние на процесс распространения радиоволн оказывают электрические свойства почвы, в особенности вокруг пунктов расположения передающей и принимающей установок. Мы знаем, что если бы поверхностный слой был идеальным проводником (удельная проводимость ), то он препятствовал бы проникновению радиоволн в почву, и потери в земле отсутствовали бы. К таким идеальным свойствам ближе всего подходят свойства морской воды, над которой условия распространения поверхностных волн наиболее благоприятны. Влажная почва выгоднее, нежели сухая, которая для длинных и тем более для коротких волн обладает свойствами диэлектрика, создающего потери на токи смещения.

Земная атмосфера простирается до высот более тысячи километров. Непосредственно у поверхности Земли находится слой атмосферы, называемый тропосферой. Это - воздух, в составе которого имеется (по объему) 78% азота и 21% кислорода. В самых нижних слоях воздуха присутствуют водяные пары, содержание которых резко колеблется с изменением метеорологических условий и зависит от "подстилающей" поверхности (суша или вода).

Свойства и состояние тропосферы характеризуются тремя величинами: давлением воздуха, его температурой и влажностью. Нормально все эти три показателя уменьшаются по мере подъема над земной поверхностью. Верхняя граница тропосферы определяется по прекращению падения температуры с высотой (на уровне приблизительно 60-70°С ниже нуля). Эта граница может иметь высоту от 9 км (в полярных областях) до 17 км (над тропическим поясом).

Но встречаются и такие области (слои) тропосферы, в которых температура с высотой увеличивается. Это называется температурной инверсией и происходит в результате метеорологических явлений. Точно так же могут наблюдаться случаи увеличенной влажности в более высоких слоях тропосферы по сравнению со слоями, прилегающими к почве. Эти свойства тропосферы имеют известное влияние на распространение радиоволн, создавая их преломление и отражение.

В тропосфере наряду с направленными движениями воздуха (ветрами) существуют также беспорядочные вихревые движения воздуха. Эти вихри создают в некоторых областях тропосферы местные неоднородности давления, влажности и температуры, также способные влиять на распространение радиоволн.

Слой воздуха, лежащий выше тропосферы - приблизительно до 90 км, состоит тоже из молекул азота (N2) и кислорода (O2), перемешиваемых горизонтальными и вертикальными движениями газов. На высотах, превосходящих 90 км, происходит расщепление молекул кислорода и азота на атомы и расслоение этих газов. Более легкий одноатомный азот (N) становится основным газом на высотах в 300 км и более. Разумеется, плотность атмосферы, т.е. число частиц газа в единице объема, на таких высотах в миллиарды раз меньше, чем в тропосфере.

На высоте начиная от 60 км над земной поверхностью и более газы под действием ультрафиолетовых и рентгеновских лучей Солнца подвергаются ионизации: нейтральные молекулы и атомы кислорода или азота расщепляются на положительно заряженные ионы и свободные электроны. Это очень существенно для распространения радиоволн, переменное электромагнитное поле которых способно приводить в движение свободные электроны и взаимодействовать с полем электронов.

Степень ионизации, т.е. число свободных электронов в единице объема (в 1 м3), на разных высотах различна. Казалось бы, что максимум ионизации должен быть около верхней границы атмосферы. Но там плотность газа столь мала, что число электронов даже в случае расщепления всех атомов будет относительно небольшим. Наибольшая плотность газа наблюдается у земной поверхности, но сюда ультрафиолетовые и рентгеновские лучи доходят сквозь толщу атмосферы резко ослабленными. Значит, максимум ионизации следует ожидать на некоторых промежуточных высотах. Это и наблюдается в действительности, а потому слои атмосферы, лежащие на высотах от 60 до 300-400 км над Землей, называются ионосферой, а на больших высотах расположена внешняя атмосфера (экзосфера).

Практически обнаруживается не один, а несколько максимумов ионизации, или, как принято говорить, несколько слоев ионосферы (скачков ионизации). Это получается, с одной стороны, благодаря различной активности воздействия ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а с другой стороны, благодаря расслоенному строению атмосферы. Кроме того, ионизация может вызываться ударами материальных частиц, посылаемых Солнцем, о молекулы атмосферного газа.

Днем, при воздействии солнечных лучей, в атмосфере образуются четыре максимума ионизации, которые называются слоями D, E, F1 и F2, как условно показано на рис. 7-2. Последние два слоя рассматриваются как один слой F.

Рис. 7-2. Четыре ионизированных слоя атмосферы.

Степень ионизации перечисленных слоев различна и непостоянна. Самая нижняя ионизированная область - слой D располагается на высотах от 60 до 90 км. Этот слой образуется только в дневные часы под действием солнечных лучей, достигая степени ионизации до 103 млн электронов в кубическом метре. В ночные часы слой D полностью исчезает, так как при отсутствии ионизирующих лучей происходит воссоединение (рекомбинация) электронов с ионами под действием сил притяжения разноименных зарядов и образуются нейтральные молекулы газа.

Следующая область ионосферы - слой E имеет максимум ионизации на высоте около 120 км. В дневные часы степень ионизации этого слоя имеет значение до 105, а в ночные - не более 104 млн электронов в кубическом метре. Слой E характерен также наличием в нем ветров и течений, которые создают завихрения и образуют неоднородности степени ионизации. В том же слое по случайным законам возникают неоднородности, создаваемые попадающими сюда сравнительно крупными космическими материальными частицами (метеорами). Нагреваясь при столкновениях с молекулами газа, частица испаряется, создавая свечение и оставляя за собой ионизированный "след", который рассеивается затем в течение нескольких секунд. Все эти неоднородности ионизации наблюдаются преимущественно на высотах 90-100 км.

Верхняя область ионосферы, называемая слоем F, занимает высоты от 180 до 400 км. Замечательно следующее: в дневные часы летних месяцев область F распадается на два слоя - более низкий F1 и более высокий F2. В остальное время суток и года остается только слой F2, представляющий собой наиболее устойчивую область ионосферы.

В летние дневные часы степень ионизации слоя F1 достигает (на высоте 180-240 км) примерно 5·105 млн электронов в кубическом метре, т.е. больше, чем для слоя E. В остальное время слой F1 не существует. Что касается слоя F2, то степень его ионизации достигает очень большого значения - до 2·106 млн электронов в кубическом метре. Этот максимум в отличие от всех других слоев наблюдается в дневные часы зимних месяцев. В ночные же часы ионизация слоя F2 снижается до 3·105 млн электронов в кубическом метре. Высота слоя F2 составляет 300-350 км. Впрочем, выше этого слоя степень ионизации убывает медленно. На рис. 7-3 представлены зависимости высоты слоев от степени ионизации для зимних дневных часов и для ночного времени. Степень ионизации дана в логарифмическом масштабе. Эти графики иллюстрируют те свойства слоев ионосферы, о которых указано выше.

Рис.7-3. Распределение степени ионизации в атмосфере:
а - зимний день; б - ночные часы.

Наличие ионосферы влияет на распространение радиоволн некоторых диапазонов, создавая отражение и преломление. Еще раз подчеркиваем, что наибольшая ионизация свойственна слою F2.

Кроме часов суток и времени года, степень ионизации зависит от солнечной активности, которая имеет 11-летнюю периодичность. Последний максимум солнечной активности наблюдался в 1957- 1958 гг. Повышенная солнечная активность не только увеличивает уровни ионизации атмосферы, но усиливает в ней вероятность так называемых ионосферных возмущений.

Ионосферным возмущением называется нарушение закономерного хода степени ионизации. Возмущения бывают результатом вспышек солнечной активности, сопровождающихся извержением больших потоков материальных частиц. Эти заряженные частицы при взаимодействии с магнитным полем Земли устремляются к ее полюсам и нарушают закономерный ход ионизации. Ионосферные возмущения сопровождаются обычно полярными сияниями, магнитными бурями (т.е. резкими изменениями напряженности земного магнитного поля) и как следствие магнитных бурь токами в земной коре и в проводах связи. Все эти явления, неблагоприятные для проводной связи и радиосвязи, наблюдаются преимущественно в полярных зонах Земли.

В этой главе:
7-1. СВОЙСТВА АТМОСФЕРЫ И ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
7-2. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ИОНОСФЕРЫ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
7-3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ДЛИННЫХ ВОЛН
7-4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СРЕДНИХ ВОЛН
7-5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ КОРОТКИХ ВОЛН
7-6. РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН
ДИНАМО-МАШИНА - походное зарядное устройство!

До пяти минут связи хватает подзарядки мобильного телефона если вращать ручку динамо-машины в течение...

Удобная почтовая доставка не только по России...

 
Более 3000 типов оригинальных аккумуляторов...

...для смартфонов и мобильных телефонов LG, Samsung, Motorola, Nokia, Sony Ericsson и др.

Доставка почтой, курьером...

webmaster@radio-1895.ru