Rezumat îndeplinit: Anikin S.V.
Universitatea de Stat din Far Eastern (VV Kuibyshev DVPI)
Legile de propagare a undelor radio în spațiu liber este relativ simplu, dar de cele mai multe tehnologii de radio nu se ocupă cu spațiul liber, și răspândirea undelor radio peste suprafața pământului. Cum de a arăta și experiența și teoria, suprafața Pământului influențează puternic propagarea undelor radio, care afectează atât proprietățile fizice ale suprafeței (de exemplu, diferența dintre mare și pe uscat), iar forma sa geometrică (curbura totală a suprafeței globului, iar unele de relief denivelări - munți, chei și așa mai departe). Efectul este diferit pentru valuri de diferite lungimi și pentru distanțe diferite între emițător și receptor. Modalitățile de propagare a undelor radio depind în principal de lungimea de undă, de iluminarea atmosferei Pământului de către Soare și de alți factori.
În procesul de propagare, undele radio se confruntă cu o atenuare asociată cu o serie de motive. Deoarece distanța de la emițător, energia se răspândește din ce în ce mai mult, densitatea fluxului energetic scade. Mediul în care se propagă undele radio le face să slăbească. Acest lucru se datorează absorbției energiei valurilor din cauza pierderilor de căldură și scăderea intensității câmpului la obstacole val de rotunjire sub formă de protuberanțe sau elevații glob.
Fig. 1. Structura undelor electromagnetice pentru o anumită perioadă de timp.
La fiecare punct al spațiului vectorul intensității câmpului electric al valului E este perpendicular pe vectorul intensității câmpului magnetic H, iar ambii vectori sunt perpendiculați pe direcția propagării undelor.
Propagarea undelor radio respectă anumite legi generale:
Propagarea directă într-un mediu omogen, adică un mediu ale cărui proprietăți sunt identice în toate punctele.
Reflecție și refracție în trecerea de la un mediu la altul. Unghiul de incidență este egal cu unghiul de reflexie.
Difracția. Întâlnindu-se pe drumul său, un corp opac, undele radio intră în jurul lui. Difracția se manifestă în grade diferite, în funcție de raportul dintre dimensiunile geometrice ale obstacolului și lungimea de undă.
Refracția. În medii neomogene, ale căror proprietăți variază ușor de la un punct la altul, undele radio se propagă de-a lungul traiectoriilor curbilinii. Cu cât sunt mai clare proprietățile mediului, cu atât mai mare este curbura traiectoriei.
Reflecție internă completă. Dacă, la trecerea de la un mediu dens mai optic la un mediu mai puțin dens, unghiul de incidență depășește anumite valori critice, atunci fasciculul nu penetrează în cel de-al doilea mediu și este reflectat complet din interfața media. Unghiul critic al incidenței se numește unghiul reflexiei interne totale.
Interferența. Acest fenomen este observat atunci când mai multe valuri sunt adăugate în spațiu. În diferite puncte din spațiu, se obține o creștere sau o scădere a amplitudinii undei rezultate în funcție de raportul dintre fazele undelor pliabile.
Undele radio care se propagă la suprafața pământului și, datorită difracției, care înconjoară parțial țesutul pământului, se numesc valuri de suprafață. Propagarea undelor de suprafață depinde în mare măsură de proprietățile suprafeței pământului.
Undele radio care se propagă la altitudine mare în atmosferă și se întorc la sol datorită reflexiei din cauza neuniformităților atmosferice se numesc valuri spațiale.
Zonă esențială pentru propagarea valurilor
În propagarea undelor radio într-un spațiu infinit omogen, diferite regiuni ale acestui spațiu afectează formarea câmpului la punctul de recepție inegal. Pentru a determina regiunea esențială a spațiului care joacă un rol decisiv, să ne îndreptăm spre principiul opțiunii ghidului de undă - principiul Huygens-Fresnel.
Să presupunem că există un radiator de punct în punctul A: este necesar să se determine intensitatea câmpului electric EB la punctul B la o distanță R de la radiator. Să tragem mental mental o suprafață închisă arbitrar în jurul radiatorului (figura 2).
Conform principiului Huygens - Fresnel: fiecare punct de pe suprafața S poate fi considerată o sursă de unde sferice secundare (sursa virtuală), în timp ce câmpul de la punctul B poate fi determinat ca rezultat însumarea vectorială a tuturor domeniilor astfel emițători secundari pe S. Fiecare dintre emițătoarele are un model de radiație secundară a suprafeței, maximul radiației sale coincide cu cel normal față de suprafața S la un anumit punct.
Pentru a urmări formarea câmpului la punctul B, să presupunem că la o distanță R1 de la punctul B perpendicular pe linia AB este un ecran opac la unde radio de dimensiuni infinite. O suprafață închisă în jurul punctului S alege constând din planul ecranului și infinit emisfera cuprinzând punctul A și sprijinindu-se pe ecran. Dacă nu există găuri în ecran, atunci din cauza opacității ecranului, câmpul din punctul B va fi 0
Fig.2 Propagarea undelor radio într-un spațiu omogen infinit
Fig. 3. Formarea câmpului undei radio
Influența suprafeței Pământului asupra propagării undelor radio depinde de localizarea traseului radio față de suprafața sa. Propagarea undelor radio este un proces spațial care captează o arie largă. Dar, cel mai important rol în acest proces este parte a spațiului delimitat de o suprafață cu un elipsoid de revoluție, în care A și B sunt focarele emițător și receptor sunt localizate (Fig. 4).
Fig. 4. Zona semnificativă pentru propagarea undelor radio: A - antenă de transmisie; B - cameră de primire; Z1 și Z2 - înălțimea lor deasupra suprafeței Pământului.
Axa principală a elipsoidului este practic egală cu distanța R dintre emițător și receptor și axa minoră
, deja elipsoid, în gama optică degenerează într-o linie dreaptă (raze de lumină). Dacă înălțimile Z1 și Z2, pe care sunt amplasate antenele emițătorului și receptorului în raport cu suprafața pământului, sunt mari în comparație cu
, atunci elipsoidul nu atinge suprafața Pământului (fig.4, a). Suprafața Pământului nu influențează în acest caz propagarea undelor radio (propagare gratuită). Odată cu scăderea atât sau una dintre elipsoidului cale de radio atinge punctul final suprafața Pământului (fig. 4b) și pe val directe călătorind de la emițător la receptor, reflectat nalezhitsya câmp val. Dacă pentru Z1 >>
, atunci acest câmp poate fi privit ca o rază reflectată de suprafața pământului în conformitate cu legile opticii geometrice. Câmpul din punctul de recepție este determinat de interferența razelor directe și reflectate. Interferența maximă și minimă determină structura petală a câmpului (figura 5). Starea Z1 și Z2 >>
practic poate fi efectuată numai pentru valuri de metri și mai scurte, prin urmare structura petală a câmpului este caracteristică undelor ultra-scurte (VHF).
Fig. 5. Structura petalei câmpului la punctul de recepție.
o zonă semnificativă se extinde și traversează suprafața Pământului. În acest caz, nu mai este posibil să se reprezinte câmpul de unde ca urmare a interferenței undelor directe și reflectate. Efectul Pământului asupra propagării acest caz se datorează mai multor factori: terenul are o conductivitate electrică semnificativă, prin urmare, propagarea de-a lungul suprafeței Pământului duce la pierderi termice și slăbirea val. Pierderea energiei în pământ crește odată cu scăderea
.
Figura 6. Propagarea undelor radio.
În plus față de atenuare, se modifică și structura câmpului de undă. Dacă antena este la suprafață radiază unda transversala polarizată liniar, pentru care câmpul electric E perpendicular pe suprafața Pământului, la distanțe mari de emițător devine val polarizate eliptic [1] (fig. 6). Mărimea componentei orizontale Ex este mult mai mică decât componenta verticală Ez și scade cu creșterea conductivității s a suprafeței pământului. Apariția unei componente orizontale permite efectuarea recepției de valuri terestre pe așa-numitele. Antenele de pământ (2 conductoare situate pe suprafața Pământului sau la altitudine joasă). Dacă antena radiază o undă polarizată orizontal (E paralel cu suprafața pământului), suprafața câmpului slăbirii Pământului este mai mare s mai mari, și produce o componentă verticală. Chiar și la distanțe mici de radiatorul orizontal, componenta verticală a câmpului devine mai mare decât componenta orizontală. Când se propagă de-a lungul Pământului, viteza de fază a undelor terestre variază cu distanța, dar la o distanță de aproximativ câteva
de la radiator devine egal cu viteza luminii, indiferent de proprietatile electrice ale solului.
Fig. 7. Înălțimea segmentului sferic care caracterizează convexitatea Pământului
Convexitatea Pământului este un fel de "obstacol" în calea undelor radio, care, diferă, circulă pe Pământ și pătrund în "regiunea umbrită". Deoarece difracția undelor este vizibilă atunci când dimensiunile obstacolului sunt comensurabile sau mai mici
, și mărimea convexitatea Pământului poate fi caracterizată printr-o înălțime segment sferic h (Fig. 7), tăiat de un plan care trece printr-o coardă care leagă receptorul și punctul amplasarea emițătorului (vezi. Tabelul 1)., starea h<<
se efectuează pentru măsurători și valuri mai lungi. Dacă luăm în considerare acest lucru cu scăderea
pierderile de energie din Pământ cresc, apoi, practic, doar undele de kilometru și cele mai lungi pot pătrunde adânc în regiunea umbrei (figura 8).
Figura 8. Un grafic al modificării rezistenței câmpului cu o distanță r (în km). Axa verticală reprezintă valoarea factorului de atenuare, care este determinat de raportul dintre intensitatea câmpului în condiții reale de propagare și puterea câmpului în timpul propagării în spațiul liber.
Înălțimea segmentului cu bilă h pentru distanțe diferite între emițător și receptor
Suprafața Pământului nu este uniformă, cel mai mare efect asupra propagării undelor radio au proprietăți electrice ale secțiunilor de cale adiacente emițător și receptor. În cazul în care calea de transmisie traversează linia mal, adică. E. extinde asupra terenului și apoi mare, la intersecția intensității câmpului tarmului se schimbă brusc (Fig. 9), r. E. Amplitudinea și direcția de propagare a undei (refracție mal). Cu toate acestea, refracția de coastă este o perturbare locală a câmpului undei radio, în scădere cu distanța de la țărm.
Fig. 9. O schimbare a intensității câmpului electric la limita a două medii
Relieful suprafeței pământului afectează, de asemenea, propagarea undelor radio. Această influență depinde de relația dintre înălțimea inegalității suprafeței h, prelungirea orizontală l și unghiul de incidență q al valului pe suprafață (figura 7). Dacă sunt adevărate următoarele condiții:
atunci neregulile sunt considerate mici și superficiale. În acest caz, ele au un efect redus asupra undelor radio. Când q crește, condițiile (1) pot fi încălcate. În acest caz, energia valului este disipată și intensitatea câmpului în direcția fasciculului reflectat scade (apar reflexii difuze).
Dealuri înalte, munți etc. în plus, puternic "deranjează" terenul, formând zone umbrite. Difracția undelor radio pe intervale de munte uneori conduce la amplificarea undei datorită interferenței undelor directe reflectate de suprafața Pământului (Figura 10).
Fig. 10. Amplificarea undelor radio în timpul difracției pe neregularități non-plat.
Coaja terestră, precum și apele mărilor și oceanelor, au o conductivitate și absoarbe puternic undele radio. Pentru rocile sedimentare în stratul de suprafață al crustei pământului, conductivitatea specifică este de 10-3-10-2 Ohm-1m-1. În plus, pentru mediile cu conductivitate specifică ridicată, coeficientul de absorbție crește cu frecvență în creștere. Prin urmare, pentru comunicațiile radio subterane, se folosesc în principal valuri lungi și super-lungi. În comunicarea cu submarine, împreună cu unde foarte lungi, se folosesc valuri ale gamei optice.
Fig. 11. Principiul comunicațiilor radio subterane.
În sistemele de comunicații între punctele subterane sau subacvatice, poate fi utilizată propagarea parțială de-a lungul suprafeței Pământului sau a mării. val Vertically polarizat excitat antenă de emisie subterană propagates la suprafața pământului, este refractată la interfața dintre pământ și atmosferă, se propagă de-a lungul suprafeței, și apoi a primit prin antena de recepție subterană (Fig. 11). Adâncimea imersiunii antenei atinge zeci de metri. Sistemele de acest tip oferă o rază de până la câteva sute de kilometri și sunt utilizate, de exemplu, pentru comunicarea între punctele de control subterane la lansarea rachetelor. Alte tipuri de sisteme utilizează ghiduri de undă subterane - straturi de crustă a pământului, care au o conductivitate scăzută și, prin urmare, mici pierderi. Astfel de specii includ rocă de sare, potasiu și altele. Aceste roci apar la adâncimi de până la sute de metri distanță și oferă propagare până la câteva zeci de kilometri. O dezvoltare ulterioară a acestei tendințe este utilizarea de roci dure (granit, gnais, bazalt, și altele.) Situat la adâncimi mari și având o conductivitate scăzută (fig. 12). La o adâncime de 3-7 km, conductivitatea specifică poate scădea la 10-11 Ohm-1m-1. Cu o creștere suplimentară în profunzime, ionizarea (ionosfera inversă) se creează prin creșterea temperaturii, iar conductivitatea crește. Se formează un ghid de undă subteran cu mai multe kilometri în care undele radio se pot propaga la distanțe de până la câteva mii de kilometri. Una dintre principalele probleme ale comunicării subterane și subacvatice este calculul radiațiilor și al transferului de energie de la antenele situate într-un mediu conducător.
Fig. 12. Schimbarea conductivității Pământului cu adâncimea.
Avantajul sistemelor de comunicare subterană este independența lor de furtuni, uragane și distrugerea artificială pe suprafața Pământului. În plus, datorită efectului de ecranare al rocilor sedimentare superioare, sistemele de comunicații subterane au o imunitate ridicată împotriva zgomotului industrial și atmosferic.
Feinberg, EL, Propagarea undelor radio de-a lungul suprafeței pământului, M. 1961;
Alpert Ya. L. Propagarea undelor electromagnetice și a ionosferei, M. 1972;
Gurevich AV, Shvartsburg AB Teoria neliniare a propagării undelor radio în ionosferă, M. 1973;
Brekhovskikh LM valuri în mass-media stratificată, ediția a 2-a. M. 1973;
Tatarskii VI, Propagarea undelor într-o atmosferă turbulentă, Moscova 1967;
Chernov LA Expansiunea valurilor într-un mediu cu neomogenități aleatorii, M. 1958;
Ginzburg VL, Propagarea undelor electromagnetice în plasmă, Moscova 1967;
Dolukhanov MP Propagarea undelor radio, 4 ed. M. 1972
[1] înclinarea frontului de undă - când propagarea undelor radio, care are în mod normal o polarizare circulară peste pământ semiconductive, sol datorită valorilor inegale ale parametrilor pentru componenta electrică și magnetică a undei radio trece în polarizare circulară eliptic. Cu cât conductivitatea solului, cu atât mai mare excentricitatea elipsei și polarizarea mai aproape de plat.