Земные оболочки и их влияние на РРВ. Флуктуационные процессы при распространении радиоволн. Особенности распространения радиоволн разных диапазонов.

Лекция 2. Слайды по дисциплине «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства» Составитель: доцент Шаталова Валентина Александровна 1 Земные оболочки и их влияние на РРВ. Передача сигналов в естественных условиях от передающего устройства к приемному происходит в пространстве, образующем довольно сложную по своим параметрам среду. При РРВ по таким естественным радиотрассам (радиолиниям) средой служат поверхность, толща и атмосфера Земли или космическое пространство. Среда РРВ - область какого-либо пространства, где происходит распространение. На указанную область воздействуют внешние помехи, которые попадают на антенну приемника. Характер РРВ от передатчика к приемнику в большой степени определяет качество работы радиолиний. Если среда является однородной или слабо неоднородной, то траектории распространения от передатчика к приемнику будут прямолинейными или почти прямолинейными, что характеризуется прямыми РВ. Передача сигналов прямой волной или лучом производится в пределах прямой или геометрической видимости между передающим и приемным средствами (спутниковая связь). Если пункты приема и передачи находятся в непосредственной близости от поверхности Земли, то расстояние прямой видимости будет определяться параметрами земной поверхности, обусловленными ее сферичностью и рельефом местности. 2 Обычно дальность прямой видимости не превышает десятков километров. Передача сигналов на большие расстояния сопровождается эффектами дифракции, рассеяния, отражения и рефракции РВ. Указанные эффекты зависят от состояния поверхности Земли, тропосферы, стратосферы и ионосферы. В свободном пространстве РВ распространяются прямолинейно со скоростью света и не испытывают поглощения. Влияние среды на РРВ проявляется в изменении амплитуды поля волны (большей частью уменьшении), изменении скорости и направления РРВ, в повороте плоскости поляризации волны, в искажении передаваемых сигналов. Для учета влияния среды на характеристики распространяющихся в ней РВ необходимо изучить электрические свойства земной поверхности и атмосферы, а также физические процессы, происходящие при РРВ. Условия РРВ по естественным трассам определяются многими факторами, полный анализ которых оказывается слишком сложным. Поэтому в каждом конкретном случае строят модель трассы РРВ, выделяя те факторы, которые оказывают основное воздействие, и пренебрегая второстепенными факторами. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе λ) от поверхности Земли, будем называть земными радиоволнами. При теоретическом рассмотрении условий распространения земных РВ атмосферу обычно считают сначала непоглощающей средой с относительными диэлектрической и магнитной проницаемостями, равными единице, а затем 3 вносят необходимые поправки. В однородных и изотропных средах радиоволны распространяются по прямолинейным траекториям с постоянной скоростью. Космическому пространству можно в первом приближении приписать свойства однородной изотропной среды и считать, что РРВ в нем происходит, как в свободном пространстве. РВ, распространяющиеся в однородной или слабо неоднородной среде, в частности, в космическом пространстве, по прямолинейным (или близким к ним) траекториям, называются свободно распространяющимися или прямыми. При прохождении сквозь атмосферу Земли могут претерпеть небольшое искривление (рефракцию), рассеяние и поворот плоскости поляризации. Связь между двумя космическими объектами также осуществляется при помощи свободно распространяющихся волн. Все радиоастрономические наблюдения ведутся над свободно распространяющимися волнами, излучаемыми звездами, туманностями и другими радиоисточниками. Рис. 2.1. Траектория свободно распространяющейся волны: З – Земля, А - передающая станция, КО – космический объект 4 Рис. 2.2. Строение атмосферы Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности, кроме того, ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий. В тропосфере происходит рефракция РВ, и поэтому в действительности распространение земных волн зависит от состояния тропосферы. Обусловливает распространение т.н. тропосферных волн, которое связано с явлением рассеяния и отражения РВ от неоднородностей тропосферы. Стратосфера - более однородная и менее изменчивая среда. Стратосфера простирается от тропопаузы до высот 50-60 км. На РРВ оказывает то же влияние, что и тропосфера, но оно проявляется в существенно меньшей степени из-за малой плотности воздуха. Поскольку плотность газа в атмосфере уменьшается с высотой, относительная диэлектрическая проницаемость в стратосфере 5 близка к 1 и эта область оказывает меньшее влияние на РРВ, чем тропосфера. Ионосфера - область атмосферы на высоте 60—20000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность газа весьма мала и газ частично или полностью ионизирован. В этой области число свободных электронов меняется с высотой и составляет 103-106 электронов/см3. Присутствие свободных электронов (воздух ионизирован) существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает рефракцию и отражение РВ в ионосфере. (отражение от ионосферы радиоволн с длиной волны более 10 м.) Вследствие рефракции и отражения в ионосфере РВ распространяются на очень большие расстояния. Ионосфера является статистически неоднородной средой, и РВ рассеиваются в ней, что также обусловливает возможность РРВ на большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней - ионосферные волны. На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало. 6 В высотном слое распределения электронной концентрации принято выделять ряд более или менее выраженных слоев: Слой D - самый нижний слой ионосферы, располагается на высоте h=60-90 км. Существует только днем. Электронная концентрация Ne в нем изменяется во времени пропорционально угловой высоте Солнца над горизонтом и не превышает 103-104 см-3. Ночью этот слой исчезает под действием рекомбинации. Слой E - h≈110 км. Ne днем 1,5∙105 см-3, ночью 5∙103 см-3. Слой F - h≈250 км днем, h≈300 км ночью. Характеризуется повышенной электронной концентрацией, достигающей в полдень 2∙106 см-3. Ночью значения Ne не превышают 2∙105 см-3. Днем слой делится на два подслоя F1 и F2, которые ночью сливаются в единый слой. Обобщающая числовая характеристика немагнитной материальной среды с омическими потерями – диэлектрическая проницаемость: jσ ~ ε a = εε 0 − , ω где ε – диэлектрическая проницаемость среды, ε0 – относительная диэлектрическая проницаемость вакуума (диэлектрическая постоянная = 8,85·10-12Ф/м), σ – электрическая проводимость [Сим=Ом-1], ω=2πf – круговая частота. 7 Вещественная часть этого комплексного числа пропорциональна суммарной плотности тока смещения и тока поляризации. Мнимая часть характеризует объемную плотность токов проводимости. С понижением рабочей частоты ω относительная доля токов проводимости непрерывно возрастает, и при ω→0 материальная среда с потерями становится металлоподобной. Фактически показатель преломления воздуха в пределах тропосферы весьма мало отличается от 1 при любых условиях. Поэтому при инженерных расчетах для удобства применяют т.н. индекс преломления: N = (n − 1) ⋅ 106. Это безразмерное число зависит от метеорологических условий и выбора пункта наблюдения на поверхности Земли. В среднем, значение N колеблется в пределах от 250 до 450. При увеличении высоты h индекс преломления тропосферы падает практически по линейному закону со скоростью dN = −40км −1 dh Формула справедлива для интервала частот, не превышающих нескольких км. 8 Абсолютные изменения оптической плотности атмосферного воздуха при увеличении высоты оказываются незначительными. В большинстве случаев они не оказывают существенного влияния на процесс РРВ, например в радиовещательных каналах длинноволнового и средневолнового диапазонов. Важнейшей информацией служит угол прихода РВ, поступающих в приемную антенну (радиолокаторы, системы навигации). Здесь необходимо учитывать атмосферную рефракцию – искривление луча из-за непостоянства коэффициента преломления атмосферного воздуха. Если излучение РВ производить по нормали к плоскости земли, атмосферная рефракция будет отсутствовать. Рис. 2.3. Атмосферная рефракция 9 С увеличением угла между нормалью к поверхности и направлением РРВ будет возрастать величина атмосферной рефракции. Если этот угол небольшой - искривление траектории луча под действием атмосферной рефракции оказывается небольшим. С увеличением угла увеличивается путь, проходимый волной в тропосфере. Например, если он составляет 10 км, угловая ошибка в 4ʹ или 0,00116 рад приведет к погрешности в определении координаты цели по поперечной координате около 11 м. Если под действием метеорологических условий возникают большие градиенты температуры и плотности воздуха, то эффект рефракции может существенно возрасти. На расстояниях в 3—4 радиуса земного шара атмосфера Земли переходит в межпланетную плазму. Газ в межпланетной плазме полностью ионизирован, плотность электронов равна плотности положительно заряженных частиц и составляет 10—100 эл./см3. 10 Флуктуационные процессы при распространении радиоволн Параметры среды, в которой распространяются волны, изменяются во времени. 1. электрические параметры поверхности Земли (диэлектрическая проницаемость и электрическая проводимость), 2. параметры тропосферы (диэлектрическая проницаемость, поскольку проводимостью нижние слои атмосферы практически не обладают), 3. диэлектрическая проницаемость и электрическая проводимость верхних ионизированных слоев атмосферы. Параметры почвы быстрых изменений не претерпевают. Суточные, сезонные изменения проводимости почвы весьма незначительны. В тропосфере и в ионосфере под действием воздушных течений и восходящих и нисходящих токов воздуха происходят весьма заметные и быстрые флуктуационного характера изменения электрических параметров. В тропосфере могут быстро сформироваться слоистые образования с резким перепадом значений диэлектрической проницаемости, отражающие УКВ. Эти области под действием ветра и вертикальных течений, подобно облакам, перемещаются как по горизонтали, так и по вертикали. Еще более сложные, быстро меняющиеся во времени процессы, связаны с образованием и перемещением вверх и вниз отражающих слоев, происходят в ионосфере. Явление, когда в пункт приема попадают несколько лучей, прошедших пути различной длины (например, при одном и двух отражениях от ионосферы) 11 называется многолучевостью. Многолучевость бывает двух видов: дискретная и диффузная. При дискретной многолучевости число лучей ограниченное и длина пути, проходимая различными лучами, разная. При диффузной многолучевости разделить лучи на отдельные не представляется возможным. Характерными особенностями этих видов многолучевости при импульсной передаче сигналов является: - при дискретной – возможность размножения сигналов, если разность путей распространения проходящих через разные неоднородности, превышает протяженность, занимаемую излучаемым импульсом; -при диффузной многолучевости, как правило, происходит уширение импульса. Многолучевость в сочетании с беспорядочным изменением свойств тропосферы и ионосферы влечет за собой целый ряд искажений формы передаваемых сигналов. Если передатчик излучает монохроматический сигнал строго постоянной амплитуды (рис. 2.4,а), то в месте приема сигнал приобретает форму, показанную на рис. 2.4,б. Возникают беспорядочные изменения (флуктуации) амплитуды и фазы принимаемого сигнала, называемые замираниями. Из-за случайных изменений длин путей этих лучей при их интерференции возникают искажения принимаемого сигнала, называемые быстрыми замираниями. На эти замирания накладываются медленные замирания сигнала, обусловленные изменениями параметров среды распространения. Аналогичные 12 явления по разным причинам могут наблюдаться и при других способах РРВ. Рис. 2.4. Форма сигнала: а) монохроматического постоянной амплитуды, излучаемого передатчиком; б) в месте приема под действием замираний. При РРВ в реальных средах могут создаваться условия, когда сигналы значительно ослабляются и искажаются. Эти обстоятельства создают жесткие ограничения на потенциальные возможности радиолиний. В реальных условиях передатчик работает не в режиме непрерывного излучения, а в режиме манипуляции или модуляции. Например, при телеграфной связи в простейшем случае антенна передатчика излучает импульсы (при амплитудной манипуляции) или импульсы на одной или другой частоте (при частотной манипуляции). При модуляции амплитуда огибающей или частота внутреннего заполнения изменяется по заданному закону. В этих условиях искажения носят еще более сложный характер: изменяется форма импульса, мгновенные значения амплитуды испытывают флуктуации, возникают дробления, эхо-сигналы. Если область, от которой отражаются или рассеиваются сигналы, перемещается в пространстве, дополнительно возникает 13 доплеровское изменение частоты. Как согласовать методы передачи сигналов и методы формирования, а также обработки сигналов с характером и механизмами РРВ различных диапазонов? Следует уметь подходящим образом выбирать рабочие частоты, при работе на которых условия распространения будут оптимальны для осуществления качественной передачи сигналов. Условия приема преимущественно определяются энергией сигнала, его искажениями и уровнем радиопомех. Тем самым при анализе проблем РРВ необходимо решение следующих главных задач: - нахождение уровня напряженности поля радиоволн в месте приема на выбранной частоте или определение оптимальной рабочей частоты при конкретно заданных условиях распространения радиоволн; - анализ ожидаемых или фактических искажений передаваемого сигнала, разработка метода сведения искажений к минимуму; - выявление источников и оценка интенсивности аддитивных радиопомех естественного и искусственного происхождения во время осуществления передачи сигналов по радиолинии. Решение перечисленных задач требует изучения электрических параметров земной поверхности, тропосферы и ионосферы вместе с физическими эффектами дифракции, рефракции, отражения, рассеяния, поглощения, интерференции и т.п., характеризующими процесс РРВ в различных средах. 14 Особенности распространения радиоволн разных диапазонов Для таких диапазонов как СДВ и ДВ все виды почв (и, тем более, водные среды) выступают как проводники. Земная поверхность отражает эти волны без значительного поглощения. СДВ и ДВ неглубоко проникают в ионосферу. При малых частотах изменение диэлектрической проницаемости плазмы в зависимости от концентрации электронов является резким, так что нижняя граница ионосферы выражена более четко. Говорят, что ДВ распространяются между двумя хорошо отражающими поверхностями как в волноводе. Средние волны сильнее поглощаются почвой и глубже проникают в ионосферу. Для объяснения особенностей их распространения надо рассматривать суточный режим ионосферы. В диапазоне КВ земная волна при распространении быстро поглощается: почва проявляет себя как несовершенный (поглощающий) диэлектрик. В ионосферу волны проникают глубоко. Путем многократных возвращений из ионосферы и отражений от земной поверхности короткие волны покрывают практически любые расстояния относительно мало затухая. При связи на ДВ, надо учитывать, что передающие антенны, представляющие собой огромные сооружения, все же остаются малыми по сравнению с λ. Они имеют небольшой КПД и обладают слабой направленностью действия. В этом смысле на КВ положение резко улучшается. Дальняя связь осуществляется при помощи направленных антенн; мощности передатчиков относительно 15 малы. Но изменчивость ионосферы приводит к неустойчивости связи на КВ. Диапазон УКВ: ионосфера уже не обладает способностью возвращать рефрагирующий луч к Земле. Типично использование распространения УКВ лишь в пределах прямой видимости и для связи с космическими объектами. Систематические и случайные изменения свойств природных сред оказывают сильное влияние на работу радиолиний. Свойства ионосферы зависят от солнечной активности, испытывая суточные, сезонные и более медленные изменения. Тепловые режимы воздушной массы определяют свойства тропосферы. Случайные изменения, флуктуации свойственны в той или иной мере всем радиолиниям. Одно из проявлений этого – "замирания" передаваемых сигналов, случайные амплитудные вариации. При измерениях сигналов производят усреднение результатов. Случайные изменения ведут к искажению сигналов. Полезна роль флуктуаций в виде пространственных образований в тропосфере и ионосфере. Рассеяние на этих неоднородностях обусловливает распространение УКВ за пределы прямой видимости. 16