Особенности распространения радиоволн

Электромагнитные колебания занимают диапазон волн от 10^-11 до 3*10¹⁰ см. В спектре электромагнитных колебаний радиоволны занимают диапазон от 3 кГц до 10⁶ МГц. Скорость свободного распространения радиоволн в среде, имеющей диэлектрическую проницаемость Ε и магнитную проницаемость μ, определяется по формуле

. (2.1)

В свободном пространстве эта скорость равна скорости света с.

Распространение радиоволн от источника до точки наблюдения совершается в определенной области, при этом проявляется действие различных факторов.

Влияние Земли. Проявляется в том, что часть энергии источника излучения падает на Землю и отражается от неё. Поэтому в месте наблюдения действуют две волны – прямая и отраженная. (Рис.2.1)

Часть энергии поглощается Землей. Формируемая диаграмма направленности получается многолепестковой (рис.2.2)

Влияние тропосферы. Тропосфера – это нижняя граница атмосферы, простирающаяся до высоты 10-12 км. В её состав входят газы воздуха, водяные пары и гидрометеоры. Электрические параметры тропосферы определяются её метеорологическим состоянием и атмосферными процессами, зависящими от режима нагревания тропосферы Земли и от погодных условий. В зависимости от этого в тропосфере по-разному проявляются следующие эффекты:

- рефракция радиоволн;

- рассеяние радиоволн неоднородностями;

- поглощение энергии радиоволн;

- ослабление радиоволн гидрометеорами.

Рефракцией называется искривление пути распространения радиоволн (рис.2.3), на рис.2.4 изображены различные виды рефракции в тропосфере.

Случай, при котором коэффициент кривизны к<1, называется сверхрефракцией или атмосферным волноводом. Он образуется слоем теплового воздуха, находящимся над слоем более охлажденного воздуха.

Отрицательная рефракция обычно встречается зимой во время снегопада и в полярных районах над морем. Она приводит к уменьшению дальности прямой видимости (рис.2.5), которая для нормальной рефракции равна

(2.2)

где h₁ и h₂ – высоты расположения передающей и приемной антенн в метрах;

Д_в – дальность прямой видимости, измеряемая в километрах.

Положительная рефракция способствует проникновению радиолуча в область тени, что увеличивает дальность прямой видимости.

Рассеяние радиоволн неоднородностями тропосферы (рис.2.6) обусловлено перемещением воздушных масс с различными электрическими параметрами. При этом радиоволны проникают и в область тени. Амплитуда рассеянного поля в области тени больше амплитуды дифракционного поля. Это позволяет реализовать дальнюю тропосферную связь на расстоянии до 600-700 км. Эта связь осуществляется с помощью специальных станций с мощными передатчиками, остронаправленными антеннами, направленными одна на другую.

Поглощение радиоволн в тропосфере происходит в кислороде и в водяном паре. Оно зависит от частоты сигнала.

Ослабление радиоволн гидрометеорами вызвано рассеянием и поглощением их энергии.

Влияние ионосферы. Верхний слой газовой оболочки Земли, расположенный выше 60-70 км., называется ионосферой. Ионосфера – это ионизированные газы с примесью нейтральных атомов и молекул. Источником ионизации является солнечное излучение, особенно ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.

Сверхдлинные и длинные волны распространяются между ионосферой и поверхностью Земли, как в волноводе. Распространение осуществляется так называемым поверхностным лучом, огибающим Землю.

Средние волны распространяются как поверхностными, так и пространственными лучами.

Короткие волны распространяются пространственным лучом, многократно отражаясь от ионосферы и от Земли. За счет этого дальности радиосвязи на этих волнах очень большие. В этом диапазоне имеет место эффект Кабанова, сущность которого состоит в том, что радиоволны, достигшие после отражения от ионосферы поверхности Земли, рассеиваются ею. Часть этого излучения возвращается к источнику излучения, где может быть зарегистрирована.

Ультракороткие волны (УКВ) проходят через ионосферу, за исключением длинноволновой части этого диапазона.

Распространение электромагнитных волн инфракрасного спектра.

Инфракрасные лучи занимают диапазон от 0,3 мм до 0,75 мк. Также лучи практически излучаются всеми телами, имеющими температуру выше абсолютного нуля. При распространении в атмосфере лучистый поток ослабляется за счет рассеяния и поглощения.

В заключении следует отметить, что в системах радиолокации и радионавигации, применяются радиосигналы УКВ диапазона. Постоянство скорости распространения электромагнитной энергии, равной скорости света, и прямолинейность их распространения позволяют определить направления на различные объекты и дальность до них.

Подавляющее большинство РТС связи, навигации, посадки и УВД работают в диапазонах МВ, ДМВ, СМВ. Эти диапазоны предполагается использовать также во всех перспективных РТС, таких, как спутниковые системы навигации, сантиметровые системы посадки и др. Предпочтение, отдаваемое этим диапазонам, объясняется следующими причинами:

1. По мере укорочения длины волны возрастает емкость соответствующих диапазонов, т.е. при прочих равных условиях в них можно разместить большее число радиоканалов. Это положение можно подтвердить сравнительной оценкой емкостей диапазонов МВ и СМВ. Предполагая, что для формирования одного канала требуется полоса частот, равная 25 кГц, нетрудно подсчитать, что в диапазоне СМВ размещается 1,08 · 10⁶ каналов, в то время как в диапазоне СВ. укладывается всего лишь 1,08 ·10³ таких каналов. Таким образом, емкость диапазонов СМВ превосходит емкость диапазонов МВ в 10³ раз.

2. В диапазонах МВ, ДМВ и СМВ уровень радиопомех ниже, чем в длинноволновых диапазонах. Это позволяет достичь высокой надежности функционирования РТС и необходимости превышения сигналов над помехами при меньшей мощности радиопередающих устройств, т.е. при меньших энергозатратах.

3. На более коротких волнах облегчается задача создания остронаправленных антенн: чем короче волна, тем уже диаграмма направленности антенн (ДНА) одного и того же размера.

4. При укорочении длины волны обеспечиваются более высокие точности дальномерных и угломерных измерений и достоверность передачи данных.

В свою очередь использование диапазонов МВ, ДМВ и СМВ сопровождается появлением определенных ограничений. В частности, характерной особенностью радиоизлучений этих диапазонов является то, что они распространяются по прямолинейным траекториям только в пределах прямой видимости.