4.8. Вопросы для самопроверки
1. Укажите источники ионизации газа в ионосфере. Какой из источников является основным ?
2. Какой процесс называется рекомбинацией ?
3. Поясните особенности строения ионосферы.
4. Запишите выражение для определения диэлектрической проницаемости ионизированного газа, поясните его.
5. Почему на распространение радиоволн электроны оказывают существенно большее влияние, чем ионы ?
6. Как изменяется проводимость ионизированного газа, если электронная плотность возрастает вдвое ?
7. Какая частота называется собственной частотой ионизированного газа?
8. Возможен ли волновой процесс в среде, где относительная диэлектрическая проницаемость меньше нуля ?
9. Какие среды называются диспергирующими ?
10. Показать, что ионизированный газ является диспергирующей средой.
11. Какой вид имеет график частотной зависимости коэффициента поглощения радиоволн в ионосфере ?
12. Укажите особенности преломления и отражения радиоволн в ионосфере.
13. Волна прошла в ионизированном газе некоторое расстояние в направление силовых линий постоянного магнитного поля. Какие изменения произошли в структуре поля волны ?
14. Какие составляющие электрического поля могут существовать в ионизированном газе, если направление распространения волны нормально к направлению силовых линий постоянного магнитного поля ?
5. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНОВ
5.1.Особенности распространения сверхдлинных и длинных волн
К диапазону сверхдлинных волн (СДВ) относят волны длиной от
10 000 до 100 000 м ( = 303 кГц), а к длинным волнам (ДВ) — волны от 1000 до 10 000 м (= 30030 кГц).
Токи проводимости для диапазонов СДВ и ДВ существенно преобладают над токами смещения для всех видов земной поверхности. Поэтому при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное проникновение ее энергии в глубь Земли. Сферичность Земли, служащая препятствием для прямолинейного распространения радиоволн, до расстояний 1000—2000 км остается соизмеримой с длиной волны, что способствует хорошему огибанию длинными волнами земного шара благодаря дифракции. Незначительные потери и огибание земной поверхности обусловили возможность ДВ и СДВ распространяться земной волной на расстояние до 3000 км. При этом для расстояния 500—600 км напряженность электрического поля можно определять по (2.15), а для больших расстояний расчет ведется по законам дифракции.
Начиная с расстояния 300—400 км помимо земной волны присутствует волна, отраженная от ионосферы. С увеличением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700—1000 км поля земной и ионосферной волн становятся примерно равными. Суперпозиция этих двух волн дает интерференционную картину поля.
На расстоянии свыше 3000 км ДВ и СДВ распространяются только ионосферной волной. Для отражения длинных волн достаточно небольшой электронной плотности, так что днем отражение этих волн может происходить на нижней границе слоя D, а ночью — на нижней границе слоя Е. Проводимость в этой области ионосферы для ДВ довольно значительна (но в тысячи раз меньше, чем проводимость сухой земной поверхности) и токи проводимости оказываются того же порядка, что и токи смещения. Следовательно, нижняя область ионосферы для ДВ обладает свойствами полупроводника.
На ДВ и особенно на СДВ электронная плотность слоев D и Е меняется резко на протяжении длины волны. Поэтому и отражение здесь происходит как на границе раздела воздух — полупроводник, без проникновения радиоволны в толщу ионизированного газа. Этим обусловлено слабое поглощение ДВ и СДВ в ионосфере.
Расстояние от земной поверхности до нижней границы ионосферы составляет 60—100 км, т. е. того же порядка, что и длина волн (ДВ и СДВ), так что волны распространяются между двумя близко расположенными полупроводящими концентрическими сферами, одной из которых является Земля, а другой — ионосфера. Условия распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе (рис. 5.1).
Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волны — волны, распространяющиеся с наименьшим затуханием, и критическую волну. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, оптимальными являются волны длиной 25—35 км, а критической — волна длиной 100 км. Подобно законам распространения радиоволн в обычных волноводах, в сферическом ионосферном волноводе фазовая скорость радиоволн превышает скорость света в свободном пространстве. На частотах выше 10 кГц отличие фазовой скорости от скорости света невелико, примерно () - 1 = (15)10-3. Однако фазовая скорость изменяется с изменением расстояния от передатчика. Кроме того, она зависит от электронной плотности и числа столкновений электронов с молекулами в той области ионосферы, где происходит отражение радиоволн. Это приводит к нестабильности фазы волны, главным образом в утренние и вечерние часы, когда меняется высота отражения длинных волн, что необходимо учитывать при работе длинноволновых радионавигационных систем. Расчет напряженности электрического поля Еm (мВ/м) для ДВ и СДВ ведется по эмпирической формуле Остина:
где r — расстояние по дуге большого круга Земли, км; q — соответствующий этому расстоянию центральный угол; Р — мощность передатчика, кВт; l — длина волны, км.
Рис. 5.1. Распространение ДВ и СДВ в
волноводе Земля – ионосфера
Рис. 5.2. Ближние и дальние замирания на средних волнах:
1 – земная волна; 2 – волна, отразившаяся от ионосферы один раз; 3 – волна, отразившаяся от ионосферы дважды
Формула Остина применима для расстояний до 16 000—18 000 км над морем и сушей, причем в последнем случае начиная с расстояний 2000—3000 км.
Длинные и особенно сверхдлинные волны мало поглощаются при прохождении в толщу суши или моря. Так, волны длиной 20—30 км могут проникать в глубину моря на несколько десятков метров (см. табл. 2.1) и, следовательно, могут быть использованы для связи с погруженными подводными лодками, а также для подземной радиосвязи.
Основным преимуществом ДВ является большая устойчивость напряженности электрического поля: сила сигнала мало меняется в течение суток и в течение года и не подвержена случайным изменениям. Необходимая для приема напряженность электрического поля может быть достигнута на расстоянии более 20 000 км, но для этого требуются мощные передатчики и громоздкие антенны.
Недостатком диапазонов ДВ и СДВ является невозможность применения их для передачи высококачественной разговорной речи или музыки и тем более изображений, так как для этого необходима широкая полоса частот. В настоящее время ДВ и СДВ используются главным образом для телеграфной связи на дальние расстояния, а также для навигации и наблюдения за грозами.
В диапазоне ДВ и СДВ наиболее интенсивно действуют атмосферные помехи, источником которых являются грозы. Во время грозового разряда возникает мощный импульс тока, носящий апериодический характер или характер затухающих колебаний и имеющий длительность
= 0,13 мс. Такой импульс создает непрерывный спектр частот с максимумом в области 3—8 кГц, спадающий в области высоких частот по закону 1/. В случае, когда помеха создается грозой, происходящей недалеко от приемного пункта (местной грозой), напряженность поля помехи уменьшается обратно пропорционально частоте. Однако основным источником помех являются грозы, происходящие в течение круглого года в экваториальных районах земного шара — очагах грозовой деятельности. Частотная зависимость интенсивности помех, создаваемых очагами грозовой деятельности, иная, чем от местных гроз, так как она определяется еще и условиями распространения радиоволн от места возникновения помехи до точки приема.
Радиоволны различной длины, возникающие во время грозового разряда, распространяются подобно волнам соответствующих диапазонов. Количественное описание временных и географических изменений уровня атмосферных помех производится статистическими методами, основанными на результатах обработки данных многолетних измерений. Для каждого сезона года и для шести часовых интервалов времени суток составляют карты с изолиниями медианных значений напряженности поля атмосферных помех на частоте 1 МГц. Составляются также данные о статистическом распределении мгновенных значений напряженности поля атмосферных помех, по которым определяется вероятность появления выбросов помех большого уровня.
5.2. Особенности распространения средних волн
К диапазону средних волн (СВ) относят радиоволны l=1001000 м (= 0,343 МГц). Диапазон СВ используется для радиовещания, радионавигации, радиотелеграфной и радиотелефонной связи; СВ могут распространяться как земными, так и ионосферными волнами.
Напряженность электрического поля земных волн определяется для малых расстояний по (2.15), а для больших расстояний — по законам дифракции. СВ испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, поэтому дальность распространения земной волны ограничена расстоянием 1000 км. Следует также учитывать, что неровности земной поверхности снижают эффективную проводимость почвы. Приближенно для равнинной местности = (0,50,7) , для холмистой =(0,150,2) , для районов вечной мерзлоты .
На большие расстояния СВ распространяются только в ночное время путем отражения от слоя Е ионосферы, электронная плотность которого оказывается достаточной для этого. В дневные часы на пути распространения СВ расположен слой D, который чрезвычайно сильно поглощает энергию этих волн. Поэтому при обычно применяемых мощностях передатчиков напряженность электрического поля на больших расстояниях оказывается недостаточной для приема и в дневные часы распространение СВ происходит практически только земной волной.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
