КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Влияние среды на условия распространения радиоволн
Влияние среды на распространение радиоволн проявляется в изменении амплитуды поля волны, изменении скорости и направления распространения волны, в повороте плоскости поляризации волны, в искажении передаваемых сигналов. Условия распространения радиоволн по естественным трассам определяются многими факторами, так что полный их анализ оказывается слишком сложным. Поэтому в каждом конкретном случае строят модель трассы распространения радиоволн, выделяя те факторы, которые оказывают основное воздействие. Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: поверхность Земли частично поглощает и отражает радиоволны; сферичность земной поверхности (средний радиус земного шара6370 км) также влияет на распространение радиоволн. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) от поверхности Земли, называют земными радиоволнами. При разработке модели распространения земных радиоволн атмосферу можно считать не поглощающей средой. При необходимости усложнения модели вносятся поправки с учетом диэлектрической и магнитной проницаемостей атмосферы. В окружающей земной шар атмосфере различают две области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу и ионосферу. Тропосфера – приземная область атмосферы, простирающаяся до высоты 10…15 км – неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности; ее электрические параметры зависят от метеорологических условий. Тропосфера влияет на распространение земных волн и обеспечивает распространение так называемых тропосферных волн. Распространение тропосферных волн связано с рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной тропосфере, а также с рассеянием и отражением радиоволн от неоднородностей тропосферы.
Ионосфера – от 50…80 км и примерно до 10000 км над поверхностью Земли. В этой области плотность газа весьма мала и газ ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов (примерно 103 … 106 электронов в 1 см3 воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы. Путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны распространяются на очень большие расстояния (например, короткие волны могут несколько раз огибать земной шар). Ионосфера является неоднородной средой, и радиоволны рассеиваются в ней, что также обусловливает возможность распространения радиоволн на большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, будем называть ионосферными волнами. На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало. За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшаются и на расстоянии 3…4,5 радиусов земного шара, атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован, плотность протонов равна плотности электронов и составляет всего 2…20 эл/см3. Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве. Таким образом, оказывается возможным рассматривать раздельно влияние на распространение радиоволн земной поверхности, тропосферы, ионосферы и космического пространства. К радиоволнам относят электромагнитные колебания, длина волны которых лежит в пределах от 2×10–9 до 105 м, что соответствует частотам колебаний от 15×1010 до 3×10–3 МГц.
Контрольные вопросы: 1. Классификация радиоволн по диапазонам частот. 2. Основные задачи теории распространения радиоволн. 3. Какие физические процессы сопровождают РРВ вдоль земной поверхности? 4. Поясните принцип отражательной трактовки влияния Земли. 5. Поясните назначение передающей и приемной антенн. 6. Перечислите основные задачи теории антенн. 7. Влияние среды на условия РРВ.
ГЛАВА 2. МЕХАНИЗМЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
2.1. Механизмы распространения радиоволн
Любой колеблющийся электрический заряд является источником переменного электромагнитного поля, излучающего в окружающее пространство. Излучение зарядом электромагнитной волны можно пояснить следующим образом. Рассмотрим два проводящих шара, находящихся на расстоянии L друг от друга (рис. 1). Такая система называется электрическим диполем. После выключения генератора шары будут заряжаться и разряжаться. При этом по проводу L протекают токи зарядки и разрядки емкости, образованной шарами. Емкость шаров много больше емкости отрезков аb и сd провода L поэтому током смещения между отрезками провода можно пренебречь. Можно считать, что ток проводимости, протекающий в проводе L, замыкается только через ток смещения, протекающий в пространстве между шарами. В этом случае амплитуда тока I вдоль провода L остается постоянной. Такой электрический диполь называют диполем Герца. На рис. 1 графически изображено распределение амплитуды тока вдоль провода диполя. На этом же рисунке показаны силовые линии электрического поля диполя для момента времени, когда шары заряжены. Линии тока смещения расположены в пространстве так же, как и линии электрического поля. При работе генератора переменный ток смещения вызывает появление переменного магнитного поля, силовые линии которого окружают линии тока смещения. В свою очередь переменное магнитное поле по закону электромагнитной индукции вызывает в окружающем пространстве появление переменного электрического поля и соответствующего тока смещения. Рассмотренный процесс распространяется в окружающей среде самоподдерживаясь. Если, например, выключить генератор, питающий диполь, то в окружающей среде продолжает распространяться возникшая электромагнитная волна - ток смещения вызывает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает переменное электрическое поле и ток смещения в соседних областях пространства. Если генератор, возбуждающий диполь, генерирует напряжение, изменяющееся по гармоническому закону U = Umsinωt, то и электромагнитное поле изменяется во времени по гармоническому закону с той же частотой ω.
Скорость распространения фазы электромагнитной волны называют фазовой скоростью. Фазовая скорость электромагнитной волны в диэлектрике равна
где μ - магнитная проницаемость среды; ε - диэлектрическая проницаемость среды. В свободном пространстве ε = ε0= 8,85·10-12 Ф/м, μ = μ0 = 4π·10 -7 Гн/м и Мф ≈ 3·10-8 м/с, т.е. равна скорости света. Расстояние, которое проходит определенная фаза волны за время одного периода колебаний Т, называется длиной волны: λ = МфТ = Мф/f. Поверхность, на которой фаза волны одинакова, называется фронтом волны. На больших расстояниях r от диполя при выполнении условия r >> L фаза волны одинакова на поверхности сферы. Такая волна называется сферической. Диполь Герца обычно в качестве антенны не применяют. Однако любую проволочную антенну можно представить состоящей из элементарных отрезков провода, в пределах каждого из которых амплитуда тока может считаться неизменной. Такой отрезок называют элементарным электрическим вибратором, аналогичным диполю Герца.
2.2. Энергетические соотношения в условиях свободного пространства
В свободном пространстве, амплитуда напряженности электрического поля в точке наблюдения (точке приема) определяется как (1) где Р1’ - мощность, подводимая к передающей антенне; G1 - коэффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя; r - расстояние от точки передачи до точки приема. Произведение P1’ G1 = Р1экв называют эквивалентной мощностью излучения, которую надо подвести к ненаправленной антенне, чтобы получить в точке приема такую же напряженность поля, как от направленной антенны с коэффициентом усиления G1 к шторой подведена мощность Р1’.
Из (1) следует, что даже в свободном пространстве, среде без потерь, напряженность поля в точке приема убывает обратно пропорционально первой степени расстояния, что обусловлено уменьшением плотности мощности (среднего за период колебаний значения вектора Пойнтинга) при удалении от источника. Во многих случаях, например при расчете радиолиний в диапазонах коротких (KB), средних (СВ) и длинных (ДВ) волн, пользуются не амплитудным, а действующим значением напряженности поля, которое в условиях свободного пространства (2) При расчете и проектировании радиолиний, особенно в диапазонах сантиметровых и дециметровых волн, необходимо знать мощность сигнала на входе приемника. Эта мощность определяется различно для радиолиний двух типов.
Рис. 2 – Обобщенная структура радиолинии
На радиолинии I типа передача информации ведется непосредственно из пункта передачи в пункт приема на радиолиниях II типа принимаются сигналы, испытавшие пассивную ретрансляцию на пути от передатчика к приемнику (рис. 2). На этих линиях непосредственная передача энергии волны от источника до точки приема по каким-либо причинам невозможна (например, этот путь перекрыт препятствием). На наземных радиолиниях с пассивной ретрансляцией на пути распространения имеется специальное антенное устройство, которое облучается первичным полем и переизлучает его в виде вторичного поля, предназначенного для приема. По такому же принципу работают системы пассивной радиолокации, где первичное поле облучает обнаруживаемую цель, а поле, переизлученное целью, принимается локатором. Рис. 3 – Пассивная ретрансляция
На любой радиолинии мощность на входе приемника Р2 связана с плотностью потока мощности в месте приема П 2 соотношением
(3)
где ή2 - КПД фидера приемной антенны; S Д = G2λ2/4π - действующая площадь приемной антенны. На радиолинии I типа в условиях свободного пространства плотность потока мощности в месте приема (4) где Р1,ή, G1, r указаны на рис. 3. Подставляя (4) в (3), получаем для радиолинии I типа мощность на входе приемника в условиях свободного пространства:
(5)
На радиолинии II типа значение П02 зависит от тех же параметров, что и на линии I типа, и, кроме того, от переизлучающих свойств ретранслятора. Если какое-либо тело облучается полем, то его способность переизлучать это поле оценивается эффективной площадью рассеяния σэф (ЭПР). Величина ЭПР зависит от формы, размеров, электрических свойств материала, из которого выполнен переизлучатель, а также от его ориентации относительно направления распространения первичного поля и направления на прием. Согласно выше сказанного мощность на входе приемника для радиолинии I типа
(6)
Из (6) видно, что в свободном пространстве при отсутствии пассивного ретранслятора на линии мощность на входе приемника уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, а при работе с ретранслятором - обратно пропорционально четвертой степени. Такое быстрое убывание поля на линиях II типа объясняется тем, что поле дважды испытывает расходимость: первичное поле - на пути от источника (передающей антенны) до ретранслятора и вторичное поле - на пути от источника (ретранслятора) до пункта приема. При проектировании систем удобно иметь сведения о потерях при передаче электромагнитной энергии. Потерями передачи L называют отношение мощности Р1 ’ подводимой к передающей антенне, к мощности Р2' на входе приемной антенны:
(7) где Р1 - мощность на выходе передатчика; Р2 - мощность на входе приемника. Для радиолинии I типа в условиях свободного пространства согласнo выше сказанного потери передачи (8) Расчеты упрощаются, если выделить составляющую L0, которая характеризует потери, обусловленные расходимостью волны при G1 = G2 = 1. Составляющая L0 называется основными потерями передачи в условиях свободного пространства: (9) Полные потери передачи обычно выражают через L 0. Можно записать: (10) Для радиолинии II типа в условиях свободного пространства при r1 – r2 = r потери передачи составят (11).
Дата добавления: 2015-03-29; Просмотров: 6678; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |