Область пространств, существенно участвующих в формировании поля на заданной линии

В теории распространения радиоволн, особенно при оценке вли­яния земли, важное значение имеет понятие «существенная область». Наличие существенной области можно определить путем эксперимента. Установим на пути распространения волны от точки А к точке В не­прозрачный для радиоволн экран с отвер­стием переменного диаметра d (рис. 4). Если диаметр отверстия велик, что соответ­ствует отсутствию экрана, напряженность поля в точке В равна величине Е₀ (см. рис.1). Будем затем уменьшать диаметр отверстия до тех пор, пока измерительный прибор не покажет явного уменьшения поля. Соответ­ствующее значение d и есть диаметр облас­ти, существенно участвующей в передаче энергии волны. Помещая экран на разных расстояниях от источника, можно таким образом выявить конфигурацию существенной области.

Рис. 4 – Определение существенной области

Форму и размеры существенной области возможно установить и аналитически, используя принцип эквивалентности. Согласно этому принципу поле в точке приема определяется суммарным дей­ствием вторичных источников, распределенных по воображаемой по­верхности, замкнутой вокруг источника А или точки приема В.

Выберем поверхность, которая охватывает источник, и для уп­рощения расчетов составим ее из бесконечной плоскости S₀, располо­женной перпендикулярно линии АВ (рис.5), и полусферы с бесконечным радиусом, которая замыкает плос­кость S.

Рис. 5 – Пояснение сути зон Френеля

Поля от источников, расположен­ных на бесконечно удаленных участках поверхности S₀ + S_∞, бесконечно малы вследствие расходимости волны. Поэто­му суммарное поле формируется источниками на поверхности S_0, распо­ложенными на конечном расстоянии от точки В. Для облегчения суммирования разделим плоскость S₀ на зоны Френеля. Построим серию ломаных АС_пВ (рис.6 а), пересекающих плоскость S₀ так, чтобы длина каждой последующей ломаной была больше длины предыдущей на половину длины волны:

(12)

Семейство ломаных лиший, удовлетворяющих условиям (12), при пересечении с плоскостью S₀ образует на этой плоскости систему окружностей с центром в точке О (рис. 5 б ). Участки плоскости, ограниченные окружностями, называют зонами Френеля на плоскости. Первая зона представляет собой круг, зоны высших номеров - кольце­вые области.

Рис. 6,а – Пояснение процесса формирования зон Френеля

Рис.6,б – Пояснение процесса формирования зон Френеля

Суммарное поле от всех источников рассчитывается с учетом их распределения по зонам Френеля. Амплитуда поля от элемента поверхности ∆S оценивается как ∆Е = C∆cosy/r_n ^’ r_n ^”, а фаза φ = (2π/λ)(r'_п + r_n”) где С - константа, зависящая от свойств первичного источника; обо­значения у, r_n^’, r_п”ясны из рис. 6.

На рис. 7 показано векторное суммирование элементарных составляющих ∆E, возбужденных источниками двух зон с номерами п и п + 1.Расчеты показывают, что результирующие векторы полей от источников соседних зон почти коллинеарны, при этом векторы Е_п и Е_п+1 (см. рис. 6) направлены противоположно из-за различия на λ/2 длин путей r'_п + r'_п' и r'_n+l + г'_п'₊₁. Амплитуда E_(n+1)mах < E_nmax, поскольку путь r'_п=1 + r ” _n+1 >r_n ^’ + r_n ^”. B результате коллинеарности векторов полей от источников в отдельных зонах Френеля (см. рис. 6) амплитуда ре­зультирующего поля определяется алгебраическим суммированием, при этом учет фазы приводит к знакопеременному ряду. Каждый член ряда равен амплитуде поля, созданного в точке приема источниками n-й зоны:

(13)

Для выявления количественных отношений удобно записать ряд в виде

(14)

Поскольку соседние члены ряда мало отличаются друг от друга, то значение поля в каждой из скобок (13) близко к нулю и в первом приближении результирующее поле определится т.е напряженность поля равна половине той величины, которая создается источниками первой зоны Френеля.

Рис. 7 – Графическая интерпретация алгебраического суммирования полей

Максимальный радиус существенного эллипсоида, ограничен­ного восемью зонами Френеля

Чем короче волна, тем меньше поперечные размеры существен­ного эллипсоида. Например, на волнах X = 10 м... 10 см при протяжен­ности линии г = 10 км радиус р8тах - 160... 16 м. При этом большая ось существенного эллипсоида, соизмеримая с длиной радиолинии, в сотни и тысячи раз больше его малой оси, т.е. эллипс сильно вытянут вдоль трассы.

Понятие существенной области широко применяется при изуче­нии условий распространения на линиях, где электрические парамет­ры тракта распространения неоднородны. Например, при распростра­нении радиоволн над земной поверхностью ослабление поля зависит от степени затенения существенной области поверхностью Земли. Если высоты антенн таковы, что часть существенной области затенена, то потери на линяй значительно возрастают.

В заключение отметим, что существенная область имеет форму эллипсоида вращения только при использовании ненаправленных ан­тенн в точках передачи и приема. Реально ее форма более сложная и зависит от ДН антенн.

Контрольные вопросы:

1. Механизмы распространения радиоволн.

2. Поясните физическую сложность процесса ослабления поля в условиях свободного пространства.

3. От каких параметров линии зависит мощность на входе приемника радиолинии первого типа?

4. От каких параметров линии зависит мощность на входе приемника радиолинии второго типа?

5. Что такое множитель ослабления поля свободного пространства?

6. Что называется потерями и основными потерями передачи в условиях свободного пространства?

7. Как построить зоны Френеля на плоскости?

8. Что такое существенный эллипсоид для распространения и почему его размеры зависят от длины волны?

9. Поясните физическую сложность процесса ослабления поля в условиях свобод­ного пространства.

10. От каких параметров линии зависит мощность на входе приемника радиолинии первого типа?

11.От каких параметров линии зависит мощность на входе приемника радиолинии второго типа?

12. Что такое множитель ослабления поля свободного пространства?

13. Что называется потерями и основными потерями передачи в условиях свободного пространства?

14. Как построить зоны Френеля на плоскости?

15. Что такое существенный эллипсоид для распространения и почему его размеры зависят от длины волны?

16. К какому типу (первому или второму) относят радиолинии, использующие ак­тивную ретрансляцию через ИСЗ?

Дата добавления: 2015-03-29