Capitolul 10 Influența troposferei asupra propagării undelor radio
Curs 20 Permeabilitatea dielectrică a troposferei. Refracția undelor radio în troposferă.
Troposferă - stratul inferior al atmosferei până la înălțimi de 10 ÷ 15 km. Limita superioară este determinată de înălțimea la care temperatura încetează să scadă. În diferite zone geografice, această limită superioară este diferită, pentru regiunile polare
5 ÷ 7 km, în tropice, unde troposfera se încălzește mai puternic de pe pământ
17 km. Troposferă este studiat îndeaproape (stații meteorologice, baloane meteorologice), deoarece există fenomene care determină vremea, deoarece este legat de aviație, rachete.
Parametrii fizici ai atmosferei sunt:
Compoziția gazului atmosferic. Moleculele și atomii de elemente chimice corespund unei anumite structuri electrice și magnetice, pe care depind parametrii electrici și magnetici ai atmosferei. Compoziția troposferei este de 4/5 azot și 1/4 oxigen, compoziția fiind constantă. Acest lucru se datorează mișcării masei de aer sub influența vânturilor, mișcarea aerului încălzit de pe suprafața pământului în sus, răcire în jos.
Temperatura este o măsură a energiei cinetice medii a mișcării particulelor de gaz și afectează parametrii ei electrici. Temperatura cu o înălțime este în mod egal scăzută, troposfera este încălzită de pe suprafața pământului (de jos în sus). Terminarea scăderii temperaturii și servește drept limită superioară a troposferei.
Presiune. În ciuda altitudinii scăzute, 4/5 din masa totală a aerului este concentrată în troposferă. Presiunea aerului scade cu altitudinea. Densitatea troposferei scade și cu înălțimea.
Spre deosebire de parametrii de suprafață pământului care nu se schimbă în mod substanțial în timp, constanta dielectrică și conductivitatea a troposferei expuse fluctuațiilor spațiale și temporale (vibrații). Modificarea parametrilor este regulată (zilnic, sezonier, geografic). Modificările neregulate ale parametrilor apar din mișcarea masei de aer. Când se ia în considerare propagarea undelor radio în troposferă (în aer), este introdus conceptul de troposferă standard cu parametri medii.
Troposfera, ca orice mediu, se caracterizează prin permitivitatea ε. permeabilitatea magnetică μ și conductivitatea σ. Permeabilitatea magnetică a întregii atmosfere cu un grad de precizie suficient de ridicat se presupune a fi constantă și egală cu permeabilitatea magnetică a vidului, adică valoarea relativă a μ = 1. Pierderile din troposferă sunt semnificative doar în intervalul de centimetri și lungimi de undă mai scurte, apoi se ia în considerare conductivitatea σ și se folosește permitivitatea dielectrică complexă.
Parametrii fizici ai troposferei determină proprietățile sale dielectrice:
unde p și ppar sunt exprimate în millibare, iar T este în grade pe scara Kelvin.
La suprafața pământului, ε este puțin mai mult decât unitatea, pentru troposfera standard ε = 1.000625. În troposferă este obișnuit să lucrăm cu un indice de refracție
Fig. 10.1 Schimbarea indicelui de refracție cu altitudinea:
1 - un grafic ideal pentru troposfera standard;
2 - graf real obținut ca rezultat al măsurătorilor.
În atmosfera standard, în porțiunea liniară a dependenței n (h), gradientul indicelui de refracție este
Refracția undelor radio în troposferă. Rază de pământ echivalentă.
Schimbările în indicele de refracție cu altitudine afectează semnificativ propagarea undelor radio, în special banda VHF. În sine, valorile indicelui de refracție diferă nesemnificativ de unitate, dar ținând seama de distanțele mari de propagare ale undelor radio, modificările sale mici duc la o curbură a căii de propagare a undei radio. Troposfera este un mediu electric neuniform în direcția propagării undelor. Refracția este o curbură netedă a traiectoriei propagării undelor într-un mediu neomogen.
Troposfera este defalcată în straturi troposferice, în interiorul fiecărui indice de refracție n este considerată neschimbată (Figura 10.2). Având în vedere faptul că, cu înălțime în creștere, indicele de refracție scade și cu aproximație discretă
grindă conform legii refracției (unda reflectată poate fi neglijat într-o primă aproximare, deoarece saltul de la strat la AN strat este nesemnificativă) va fi deviat spre suprafața pământului.
Fig. 10.2. Refracția undelor radio în troposferă
Dacă grosimea straturilor este redusă, atunci linia întreruptă a traseului de undă va trece într-o curbă reprezentând traiectoria undei într-un mediu neomogen. Raza de curbură a traiectoriei (după calcule simple, dar greoaie) este egală cu
Radius de curbură
În funcție de gradientul modificării indicelui de refracție, se observă 4 tipuri de refracție.
Variația statistică medie a indicelui de refracție în troposfera standard
Fig. 10.3. Refracția normală a undelor radio în troposferă
Există aceeași (Fig. 10.4) cu un gradient de modificări indice de refracție, ceea ce duce la faptul că raza de curbură a căii de propagare și raza Pământului. Fenomenul este observat rar.
Fig. 10.4. Refracția critică a undelor radio în troposferă
În anumite condiții meteorologice, gradientul modificării indicelui de refracție crește cu atât mai mult
Fig. 10.5. Superrefractarea undelor radio
Se observă efectul troposferic al ghidului de undă. Un asemenea ghid de undă captează unde de decimetru și centimetru, uneori chiar valuri de măsură. Acesta este un fenomen aleator și, de regulă, se manifestă ca o interferență pe rutele lungi care operează la aceleași frecvențe.
Uneori starea atmosferei determină o schimbare în direcția deflexiei fasciculului, dacă
Fig. 10.6. Refracția negativă a undelor radio în troposferă
În cazul propagării într-un standard de troposferă în considerare efectul de refracție troposferă se poate realiza prin introducerea conceptului de rază echivalentă a pământului. În figura 10.7, undele radiale se propagă de-a lungul unei anumite curbe, iar la punctul de recepție se află la o distanță AB de suprafața solului. Să presupunem că valul se propagă de-a lungul unei linii drepte. Pentru aceasta a avut loc în același timp, la aceeași înălțime AB deasupra solului, trebuie să schimbați raza globului, t. E. Ar trebui să fie o zonă validă a lumii și înlocuită cu o rază echivalentă AE. și apoi traiectoria curbilinie a propagării valurilor se reduce la o traiectorie rectilinie. Valoarea AE este determinată de condiția ca raznost între valorile curburii Pământului și traiectoria reală este egală cu diferența dintre valorile curbura suprafeței pământului cu raza imaginar echivalent AE și aplatizate traiectorie (
Cu refracția troposferică standard, înlocuind valorile numerice, a = 6370 km,
Fig. 10.7 Considerarea refracției troposferice a undelor radio
În atmosfera standard, intervalul de vizibilitate este definit ca
Sub influența refracției, linia de vizibilitate crește cu 15%. Utilizarea razei echivalente a globului pentru calcule oferă valorile medii ale intensității câmpului și oferă rezultate bune chiar dacă legea variației indicelui de refracție cu înălțimea liniei se abate.
Curs 21 Degradarea undelor radio în troposferă. Distribuție ulterioară în troposferă
Atenuarea undelor radio în troposferă
Când decimetru propagare, centimetrul și milimetrice benzile în plus față de pierderile în liber câmp spațiu slăbirea apare datorită absorbției de rezonanță a undelor radio din gazele troposferă. Când coincidența frecvenței câmpului uneia dintre frecvențele discrete tranzițiile intramoleculare are loc absorbția de energie externă câmp, prin care molecula devine o stare de energie mai mare. Dintre toate componentele gazului atmosferic din domeniul radio sunt spectrele de absorbție a oxigenului și a vaporilor de apă. Dependențele calculate ale coeficienților de atenuare asupra frecvenței sunt prezentate în Fig. 10.8b.
Fig. 10.8. Atenuarea undelor radio în troposferă
a) absorbția în ploaie și ceață; b) absorbția în oxigen și vapori de apă.
Absorbția intensivă are loc la lungimi de undă:
în oxigen la λ = 0,5 cm (f = 60 GHz) și λ = 0,25 cm (f = 120 GHz);
în vapori de apă la λ = 1,35 cm (f = 22 GHz) și λ = 0,164 cm (f = 183 GHz).
Între vârfurile de rezonanță ale coeficientului de atenuare există "ferestre de transparență".
Cea de-a doua cauză nu mai puțin importantă a slăbicirii intensității câmpului valului este absorbția de către formările atmosferice de apă (sedimente). Picăturile de apă au o constantă dielectrică ridicată ε = 80. conductivitate ridicată σ
4 S / m. Câmpul electromagnetic al unui val transmise acestora sunt induse de curenți, pentru a menține (debit), care este consumat energie - această pierdere de căldură. Pierderile mari în picături de apă (ploaie, ceață ris.10.8a), pierderi mai mici de particule solide (zăpadă, gheață, praf), deoarece conductivitatea este mai mică. Efectul de atenuare a precipitațiilor începe la frecvențe mai mari de 5 GHz și mai ales în mod substanțial la lungimi de undă λ <3см. Миллиметровые волны полностью поглощаются в дожде умеренной интенсивности. Поглощение радиоволн в тропосфере ограничивает дальность связи в сантиметровом, дециметровом и особенно в миллиметровом диапазонах.
Distribuția longitudinală în troposferă
Distribuția pe distanțe lungi a undelor radio în troposferă (dincolo de linia de vedere) este posibilă în două cazuri. Primul fenomen a fost menționat în secțiunea anterioară, aceasta este formarea unui ghid de undă troposferic. Fenomenul este observat pentru valuri de centimetri și decimetri de lungimi de undă. Înălțimea ghidului de undă troposferic
A doua modalitate de bază de comunicații de organizare și pe distanțe lungi asociate cu neregularități ale troposferei ca obiecte de undă radio de difuzie (ris.10.9). Neomogenitatea troposferei este o regiune a spațiului care, datorită influențelor meteorologice, are o constantă dielectrică diferită de cea medie. În sine, diferența este de obicei mică
.
Distribuția troposferică cu rază lungă de acțiune este utilizată numai pentru sistemele de comunicații radio (pentru sistemele de radio și televiziune acest mecanism nu este potrivit). Pe liniile de radiorelee troposferice puncte de recepție sunt situate într-o zonă de umbră adâncă, intervalele de timp dintre stațiile adiacente este la diferite puncte de 150 ... 1000 km. Astfel de linii sunt utilizate în regiuni îndepărtate nordice și montane.
Sub influența domeniului incident, dielectricul de neomogenitate este polarizat, apare un câmp secundar (împrăștiat). Utilizarea unor antene foarte direcționale (câștigul antenei ar trebui să fie de ordinul dB.) Permite concentrarea câmpului de cădere și captarea unui câmp slab împrăștiat. Modelele de direcŃie ale antenei sunt presate pe suprafaŃa solului, deoarece cea mai mare intensitate a neomogenităŃilor împrăștiate este observată în regiunile inferioare ale troposferei (Figura 10.9). Pentru recepția stabilă, se utilizează două antene, distanțate de o distanță de (70 ... 100) λ. Se cere să radieze o putere de ordinul lui
Fig. 10.9. Împrăștierea undelor radio pe neomogenitățile din troposferă
Ca rezultat al atenuării semnificative a semnalului în timpul împrăștierii prin neomogenități, funcționarea liniilor troposferice este posibilă la indicii de înaltă energie ai echipamentului în transmisie și recepție. Tehnica de calcul a liniilor radio troposferice pe distanțe lungi, cu împrăștierea undelor radio prin neomogenități în troposferă, este dată în [2].