Файл: Белосток В.С. Распространение радиоволн (учебное пособие).pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 04.04.2024

Просмотров: 97

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

ir ионами), частоты радиоволны и определяется следующей фор­ мулой:

a s

60--2,82-10 -2 N'>

 

1_

(4.16)

 

 

 

 

<d24 - v2

м

 

з де N — электронная

концентрация,

;

 

 

v — число столкновений

электронов

с

нейтральными моле­

кулами в

одну

секунду ^величина,

обратная времени

свободного

пробега

электрона v = — 'j;

oj — угловая частота

радиоволны.

 

 

 

Для ионосферных

слоев число соударений

имеет значения:

vio:i-- io '; 1 .

1сек

Вдиапазоне коротких волн с»2Д>''2, поэтому можно пре­ небречь величиной v2 по сравнению с со2. Тогда , формула (4.16) примет вид:

a s 1,35-10' N ^

(4.17)

f

где / — частота радиоволны, кгц.

Из формулы (4.17), во-первых, видно, что потери в ионосфере на коротких волнах обратно пропорциональны квадрату частоты, то есть с увеличением частоты уменьшаются. Этот вывод приме­ чателен тем, что в обычных радиотехнических цепях потери с уве­

личением частоты возрастают.

частоте / коэффициент затухания

Во-вторых, при заданной

пропорционален произведению

электронной

концентрации

на

число столкновений (/V v). Так, например,

для слоя F2

при

N ~ 1(Г

эл

и v

КГ

1

 

CMS

сек

 

 

 

 

 

iVv = 109 ;

для слоя Е при N = Ю5 ЭЛ,1

и '>= 106 —- —

 

 

1

 

слг

сек

TV v s 1011.

Следовательно, коэффициент затухания коротких волн в слое Е примерно в 100 раз больше, чем в слое F fi.

Обратная зависимость поглощения в ионосфере на коротких волнах с ростом частоты объясняется следующим образом.

61

При

/> v

время

свободного

пробега

электрона

- больше

периода

колебаний Т,

и электрон

успевает

несколько

раз пере-

излучить энергию, полученную им от радиоволны, не

претерпев

столкновения

с нейтральными молекулами.

 

 

На более высоких частотах в пределах коротковолнового диа­ пазона доля энергии, передаваемая электроном нейтральным молекулам, уменьшается по сравнению с энергией, которую электрон успевает переизлучить за время одного столкновения с тяжелыми частицами.

Таким образом, при распространении радиоволн в ионосфере более длинные волны диапазона коротких волн испытывают большее поглощение, чем более короткие. Следовательно, с точки зрения уменьшения потерь связь целесообразнее вести на воз­ можно более коротких волнах. Однако это требование должно* быть согласовано с условиями отражения радиоволн от ионо­ сферы.

§ 4. Характеристика регулярных ионосферных слоев

Как уже отмечалось, в ионосфере обычно существует несколь­

ко регулярных

ионосферных

слоев

(максимумов

ионизации):

слои D, Е, F| и F2 (рис. 4.2).

Рассмотрим наиболее

характерные

особенности этих слоев.

 

нижним

ионосферным

слоем. Он

Сл о й D является самым

расположен

на

высоте

60—90 км.

Электронная

концентрация

слоя D не превышает 102—10а эл/сл*3.

пределах / кр

0,1—j—0,7 Мгц*

Критическая частота слоя лежит в

Плотность

ионосферы на

высоте слоя

D еще велика

и

число

соударений

электрона

е

тяжелыми

частицами

достигает

Ю1-1 0 ь

1

что обусловливает сильно выраженные

погло­

сек

щающие свойства слоя D на коротких и средних волнах. Основная особенность слоя D состоит в том, что он появляет­

ся только в дневное время, а ночью ионизация на этих высотах почти полностью исчезает. В летние месяцы критические частоты слоя D выше, чем в зимние.

Сл о й Е

расположен

вслед за

слоем D.

Нижняя

его граница

расположена

на высоте 90—120 км, которая

мало

меняется со­

временен суток и временем

года.

Максимум

ионизации

наблю­

дается приблизительно

на

высоте

120 км. Критическая

частота

изменяется от 3—4 Мгц днем до 0,6 Мгц ночью, что соответствует

электронной

концентрации

от 1,5-105 —9Л.

днем до

5 • 10'*

сжт

ночью. Число

столкновений

см6

молекулами

 

электронов с

достигает

сек '

Основным ионизирующим фактором слоя Е является ультра­ фиолетовое излучение Солнца. Следовательно, для слоя Е харак­

62

терен суточный ход ионизации. Это значит, что динамическое равновесие между количеством вновь появляющихся и исчеза­ ющих зарядов устанавливается почти мгновенно вслед за изме­ нением высоты Солнца. Вследствие этого кривая суточного хода критических частот слоя Е симметрична относительно мест­ ного полудня (рис. 4.7).

Н, AV*

В р е м я

с у т о * м ест н о еу

Рис. 4.7. Суточное изменение

критических частот

 

ионосферы

 

Изменение электронной концентрации слоя Е и / кр имеет ясно

выраженный закономерный

сезонный

ход: максимальные значе­

ния электронной концентрации N a f KV наблюдаются в летние ме­ сяцы (рис. 4.7).

Характерной особенностью слоя Е является постоянство его свойств, то есть этот слой относится к числу устойчивых образо­ ваний в ионосфере. Слой Е мало подвержен случайным измене­ ниям. В спокойные дни для одного и того же часа суток / кр изме­ няется менее чем на 10%.

Сточки зрения распространения радиоволн слой Е является отражающим для средних волн в дневные и ночные часы и для коротких волн в дневные часы.

Сл о й F в дневные часы летних месяцев расщепляется на два слоя: более низкий Fi и более высокий F2. В остальное время су­ ток и года существует только один слой Е2. Слой Fi расположен

на высоте 180—240 км; слой Р2 — на высоте 300—400 км.

Слой Fi по своим свойствам сходен со слоем Е: здесь элек­ тронная концентрация изменяется синхронно с высотой Солнца, и максимум ионизации наблюдается ровно в полдень. Суточный ход критических частот обладает симметричной формой относи-

тельно

местного

полудня (рис. 4.7). Электронная концентрация

слоя F,

достигает

значений 3 • 105 — 6 • 105 эл'см3. что соотве~-

ствует/Кр = 5,5 М гц. Число столкновений имеет порядок vslO *----.

Суточный ход ионизации слоя F2 значительно сложнее,

сек

чем

слоя Е. Наиболее закономерный суточный ход электронной

кон­

центрации слоя Н2 наблюдается в зимние месяцы. В этот период ионизация сильно возрастает, достигая в дневное время значений

больших, чем летом.

 

 

 

 

концентрации

слоя

F2

Максимальное

значение электронной

в это

время

обычно

не превышает 2-106

эл/см3

после

 

полудня,

что соответствует

критической

-частоте

/ кр ™ 13

Мгц

(рис. 4,7).

В годы максимума солнечной активности от слоя F2 могут отра­

жаться радиоволны с частотами до 50 Мгц.

снижается

до зна­

В ночные часы электронная концентрация

чения 0,3-106 эл/см3, что соответствует

критической

частоте

по-

рядка /к-р^.

5 Мгц.

Число столкновений

составляет v

103 4-104

1- -

В летние

месяцы

в суточном

 

изменении

электронной

сек

 

концен­

трации слоя F2 не наблюдается резкого

максимума.

Небольшой

максимум наблюдается после

полудня,

причем он имеет значе­

ние меньшее, чем зимой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Причина

необычного поведения слоя F2, проявляющегося

в том,

что

максимум ионизации

приходится

на

зимние

месяцы,

до сих пор точно не установлена.

Предполагается, что

большую

роль

здесь

играет

нагревание

атмосферы.

В

летние

месяцы

атмосфера нагревается больше, что сопровождаетсярасшире­

нием ионизированного воздуха,

поднимающегося

и переходящего

в область

более разряженной

атмосферы, в

результате чего

электронная концентрация слоя снижается.

 

Слой F2

очень неустойчив,

подвержен сильным изменениям,

и даже в ионосферно спокойные дни для одного и то же часа его

электронная

плотность отклоняется

от среднего

значения

на

10-15%.

F2 в масштабе

всего земного

шара

характерно

су­

. Для слоя

ществование

своеобразного

годового

хода

ионизации, выража­

ющегося в том, что во время зимы в северном полушарии общая

ионизация слоя F2 возрастает.

слоем, отражающим

короткие

Слой Е'2 является

основным

волны и имеет большое значение для радиосвязи.

слоев в

С п о р а д и ч е с к и й

с лой Ес.

Помимо регулярных

освещенной части ионосферы на уровне слоя Е, то есть на высо­ те 100—120 км, временами образуется так называемый споради­ ческий (нерегулярный) слой Ес.

Слой Ес представляет собой скопления отдельных сильно ионизированных облаков, разделенных промежутками слабо ионизированного газа,, то есть имеет «решетчатую» структуру. Электронная концентрация этого слоя обычно значительно пре­ восходит электронную концентрацию нормального слоя Е.

64

Спорадический слой Ес появляется над сравнительно неболь­ шой территорией протяженностью в сотни и даже десятки кило­ метров и время его существования обычно не превышает не­ скольких часов. Чаще всего слой Е- возникает летом в дневное время в южных широтах и очень редко зимой. Причины образо­ вания спорадического слоя еще не установлены. Существующие гипотезы связывают образование слоя Ес с потоками метеоров.

Слой Ес обусловливает возможность нерегулярного распро­ странения метровых волн на расстояние 1000—2000 км.

С увеличением солнечной активности возрастает и интенсив­ ность ионизации спорадического слоя Ес. В годы последнего мак­

симума солнечной

активности наблюдались отражения от слоя Ес

радиоволн частоты

65 Мгц.

5 Рлсиростргшенче роджтолн

Г л а в а 5

РАСПРОСТРАНЕНИЕ КОРОТКИХ, СРЕДНИХ

ИДЛИННЫХ ВОЛН

§1. Особенности распространения коротких волн

К диапазону коротких волн относятся

радиоволны

длиною

от 10 до 100 м (частоты от 3 до 30 Мгц).

как земные

(поверх­

Короткие волны могут распространяться

ностные) и как ионосферные (пространственные) волны. Однако вследствие значительного поглощения коротких волн в полупроводящей поверхности земли (поглощение в почве сильно возра­ стает с повышением частоты) земные волны при применяемых обычно мощностях передатчиков распространяются на расстоя­ ния, не превышающие нескольких десятков километров.

В виде ионосферных волн короткие волны могут распростра­ няться на многие тысячи километров, причем для этого не тре­ буется передатчиков большой мощности. Поэтому короткие вол­

ны в настоящее время используются главным образом для

связи

и вещания на большие расстояния.

волнах является

и то,

Преимуществом работы

на

коротких

что на коротких волнах можно создавать

антенны с высокой на­

правленностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим основные особенности ионосферного распростра­

нения коротких волн.

 

 

 

 

 

 

 

 

ОГРАНИЧЕННОСТЬ РАБОЧЕГО

ДИАПАЗОНА

 

 

Короткие радиоволны распространяются на большие расстоя­

ния путем

отражения

от

слоя Р2, проходя при этом

через

слои D и Е, в которых они испытывают поглощение.

 

 

Нормальная схема распространения коротких волн изображе­

на на рис. 5.1.

В этих

условиях

слои D и Е

являются

поглоща­

ющими, а

слой

Ег — отражающим, так как

электронная

концен­

трация слоя Е оказывается недостаточной для отражения корот­ ких волн.

66

Для того, чтобы волна могла быть принята на определенном расстоянии от передатчика, должны быть выполнены два условия, во-первых, условие отражения вол­

ны от ионосферы и, во-вторых, на­

 

пряженность поля в данном месте

 

должна

быть

достаточной

 

для

 

приема, то есть поглощение

энер­

 

гии волны в

слоях

ионосферы

не

 

должно

быть слишком

большим.

 

Эти

два

условия

ограничивают

 

диапазон

применяемых

рабочих

 

частот.

 

 

 

волны необхо­

 

Для отражения

 

димо, чтобы рабочая частота была

 

не слишком

высокой и

электрон­

Рис. 5.1. Схема распространения

ная

концентрация

слоя

оказалась

коротких волн на большие рас­

бы

достаточной

для

отражения

стояния:

1—поверхностная волна; 2—волна, распростра­

этой

волны

в соответствии

с фор-

няющаяся путем одного отражения от ноно-

 

t л

п \

Iх_

Л

 

 

г 1

сферы; 3—волна, распространяющаяся путем

МуЛОИ (4.7) . Из

ЭТОГО УСЛОВИЯ

 

вы-

двух отражений от ионосферы; 4—волна, рабо-

бирается

максимальная

Примени-

чая частота которой больше критической

мая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей диапазона. Второе условие ограничивает рабо­

чий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах ко­ ротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение энергии волны в ионосфере.

Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из того условия, что при данной мощности передатчика напряженность тюля должна быть достаточной для приема.

Электронная концентрация ионосферы меняется в течение суток и в течение года, вследствие чего изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток. Днем работают на волнах длиною 10—25 м (дневные волны), а ночью-- на волнах 35—100 м (ночные волны).

Применение более коротких волн в дневные часы возможно потому, что в часы освещенности электронная концентрация в слое Р2 достигает больших значений и от этого слоя могут отра­ жаться радиоволны высоких частот. В то же время волны такой высокой частоты испытывают незначительное поглощение в силь­ но ионизированных в дневные часы слоях D и Е.

С наступлением темноты электронная концентрация в слое К2 уменьшается, и для выполнения условия отражения частота используемых волн должна быть понижена. Поглощение ночных

волн при

этом относительно невелико,

так

как

с наступлением

темноты

электронная

концентрация

слоя

Е

уменьшается,

а

слой D вообще исчезает.

 

 

 

 

Чтобы

случайные

изменения электронной

концентрации

не

привели к нарушению связи, для работы обычно выбирают опти мальные рабочие частоты (ОРЧ), которые ниже МПЧ на

Смотрите также файлы