(4.4)
называется собственной частотой ионизированного газа или частотой Ленгмюра и является параметром ионизированного газа, удобным для оценки условий распространения радиоволн.
Выражение (4.3) можно переписать иначе, пользуясь понятием собственной частоты ионизированного газа:
(4.5)
При < относительная диэлектрическая проницаемость e оказывается меньше нуля. Это значит, что коэффициент преломления является мнимой величиной. В такой среде электромагнитные колебания не распространяются и быстро затухают.
4.4. Скорость распространения радиоволн в ионизированном
газе (плазме)
Диэлектрическая проницаемость ионизированного газа меньше единицы и зависит от частоты колебаний, поэтому и скорость распространения радиоволн в ионизированном газе зависит от рабочей частоты. Среды, в которых скорость распространения радиоволн зависит от частоты, называются диспергирующими. В диспергирующих средах различают фазовую и групповую скорости распространения радиоволн [2]. Скорость перемещения фронта волны называется фазовой скоростью. Фазовая скорость для сред, приближающихся по своим свойствам к диэлектрику, определяется (2.6). Поэтому для ионизированного газа без учета потерь согласно выражению (4.5)
(4.6)
Фазовая скорость волны в ионизированном газе больше скорости света в свободном пространстве. Однако скорость распространения сигналов не может быть больше скорости света в свободном пространстве. Сигналы конечной длительности, содержащие несколько полных периодов колебаний (группа волн), распространяются с групповой скоростью. Гармонические составляющие сигнала в диспергирующей среде распространяются с разными фазовыми скоростями, что приводит к искажению сигнала.
Под групповой скоростью понимают скорость распространения максимума огибающей сигнала[2]. Групповая скорость связана с фазовой скоростью соотношением для ионизированного газа
(4.7)
В случае приближения рабочей частоты к собственной частоте ионизированного газа (à) групповая скорость уменьшается (à0), а фазовая скорость резко возрастает ().
4.5. Поглощение радиоволн в ионизированном газе (плазме)
Коэффициент затухания радиоволн в ионизированном газе определяется по (2.2) с подстановкой в нее значений e из (4.1) и g из (4.2).
Поглощение радиоволн связано со столкновениями электронов с молекулами и ионами и переходом электромагнитной энергии в тепловую энергию движения тяжелых частиц. В этом процессе важно соотношение между периодом электромагнитных колебаний (T=1/ ) и средним временем между двумя соударениями электрона с молекулами или ионами . На низких частотах при T> энергия электромагнитной волны передается от электрона тяжелой частице малыми порциями, при Т< соударения происходят редко в масштабе периода радиоволны. В том и другом случаях поглощение мало. При T наступает явление резонанса между частотой колебаний электрона под действием электромагнитного поля и тепловым движением частиц, причем поглощение существенно возрастает. Поэтому частотная зависимость коэффициента поглощения описывается кривой (рис. 4.2), имеющей максимум в области частоты , близкой к величине , т. е. наблюдается явление резонанса. В нижних слоях ионосферы 107 1/с и условие = / выполняется для волн длиной около 200 м. Поэтому в диапазоне коротких волн происходит уменьшение поглощения с повышением частоты, а в диапазоне волн длиннее 200 м поглощение увеличивается с повышением частоты.
Рис. 4.2. Зависимость коэффициента затухания радиоволн в ионизированном газе от частоты при
Nэ = 105 см-3 и = 10-3
Рис. 4.3. Схема отражения радиоволн от ионосферы
4.6. Преломление и отражение радиоволн в ионосфере
Заметная электронная плотность появляется в атмосфере начиная с высоты примерно 60 км. Далее электронная плотность ионосферы меняется с высотой над земной поверхностью, а следовательно, и электрические свойства ионосферы неоднородны по высоте.
При распространении радиоволны в неоднородной среде ее траектория искривляется. При достаточно большой электронной плотности искривление траектории волны может оказаться настолько сильным, что волна возвратится на поверхность Земли на некотором расстоянии от места излучения, т. е. произойдет отражение радиоволны в ионосфере.
Отражение радиоволн, посланных с поверхности Земли на ионосферу, происходит не на границе воздух— ионизированный газ, а в толще ионизированного газа. Отражение может произойти только в той области ионосферы, где диэлектрическая проницаемость убывает с высотой, а следовательно, электронная плотность возрастает с высотой, т. е. ниже максимума электронной плотности ионосферного слоя.
Условие отражения связывает угол падения волны на нижнюю границу ионосферы с диэлектрической проницаемостью в толще самой ионосферы en на той высоте, где происходит отражение волн (рис. 4.3):
(4.8)
Здесь и далее Nэ — электронная плотность, см-3, а частота в кГц.
Чем больше значение Nэ, тем при меньших углах возможно отражение. Угол при котором в данных условиях еще возможно отражение, называют критическим углом.
Из выражения (4.8) можно определить рабочую частоту при которой волны отразятся от ионосферы в случае заданных электронной плотности и угле падения:
(4.9)
Если волна нормально падает на ионосферу, то
(4.10)
При нормальном падении волны отражение происходит на той высоте, где рабочая частота равна собственной частоте ионизированного газа и, следовательно, e=0. При наклонном падении на этой высоте могут отразиться радиоволны с более высокой частотой. Выполняется так называемый закон секанса, заключающийся в том, что при наклонном падении отражается волна частотой, в sec раз превышающей частоту волны, отражающейся при вертикальном падении волны на слой заданной электронной плотности:
(4.11)
Чем больше электронная плотность, тем для более высоких частот выполняется условие отражения.
Максимальная частота, при которой волна отражается в случае вертикального падения на ионосферный слой, называется критической
частотой ; отражение происходит вблизи максимума ионизации слоя:
(4.12)
Сферичность Земли ограничивает максимальный угол q (рис. 4.3)
а следовательно, и максимальные частоты радиоволн, которые могут отразиться от ионосферы при данной электронной плотности.
4.7. Влияние постоянного магнитного поля на электрические параметры ионизированного газа (плазмы)
Ионизированный газ ионосферы находится в постоянном магнитном поле, напряженность которого =40 А/м.
В присутствии постоянного магнитного поля изменяются условия движения электронов, вследствие чего изменяются и электрические параметры ионизированного газа.
Диэлектрическая проницаемость ионизированного газа в случае продольного распространения, когда волна распространяется в направлении силовых линий постоянного магнитного поля, без учета потерь ( = 0), определяется формулой
(4.13)
где
Линейно поляризованная волна распадается на две составляющие, поляризованные по кругу и распространяющиеся с разными скоростями, что характеризуется различными знаками в (4.13).
При продольном распространении радиоволн происходит поворот плоскости поляризации — поворот вектора в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, на угол
(4.14)
где r — путь, проходимый волной в ионосфере.
Это явление носит название эффекта Фарадея.
В другом случае поперечного распространения, когда направление распространения волны перпендикулярно к направлению силовых линии постоянного магнитного поля, волна распадается на обыкновенную и необыкновенную составляющие.
Для обыкновенной составляющей
и распространение происходит так же, как в отсутствие постоянного магнитного поля.
Для необыкновенной составляющей
(4.15)
где
После прохождения некоторого расстояния в ионосфере в присутствии постоянного магнитного поля большая ось эллипса поляризации волны поворачивается на угол, определяемый (4.14). Обыкновенная и необыкновенная составляющие отражаются на разной высоте в ионосфере. Для отражения необыкновенной составляющей нужна меньшая электронная плотность. Критическая частота необыкновенной составляющей выше, чем обыкновенной :
= + 0,7МГц,
что используется в практике радиосвязи.
Экспериментальное исследование ионосферы ведется преимущественно с помощью радиометодов, т. е. путем изучения условий прохождения и отражения радиоволн в ионосфере.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
