тішетровых и особенно миллиметровых волн. Поэтому расчеты не обходимо вести по точным формулам, полученным еше в 1908 г. в работе Ми [11]:
°01= |
---- |
оо |
(17.10) |
|
----- |
Re Ѵ ( 2 / я + 1 )( Л £ + Я ^ . |
|
2іх |
^ |
|
|
|
т = 1 |
|
Здесь все величины аналогичны величинам формулы (15.6). Результаты расчетов уд для радиоволн сантиметрового и мил
лиметрового диапазонов, распространяющихся в дождях интенсив ностью от 0,1 мм/ч (очень слабый моросящий дождь) до 100 мм/ч (ливень), представлены в виде кривых на рис. 17.4 [69].
Закон распределения размеров капель дождя взят такой же, как в главе 15, при температуре дождя 18° С. Следует отметить, что
Тд, о5/км
различие в ул при температурах 0 и 40°С не превышает 20%. Из кривых рис. 17.4 следует, что с увеличением интенсивности дождя
иуменьшением длины волны коэффициент ослабления возрастает.
Всухом снеге и граде, не покрытом водяной пленкой, ослабле ние значительно меньше, чем в дожде аналогичной интенсивности. Ослабление в тумане и облаках рассчитывается но формуле (17.9). По результатам расчетов на рис. 17.5 построена зависимость коэф
фициента |
ослабления в тумане и облаках для водности, равной |
1 г/,и3 [8]. |
Уд, 85/нм |
Под водностью понимается количество водяного пара (в грам мах), находящегося в одном кубическом метре воздуха. Водность тумана (облака) колеблется от 0,03 (слабый туман) до 2,3 г/м3 (сильный туман). Коэффициент ослабления радиоволн сантиметро вого и миллиметрового диапазонов прямо пропорционален водно сти тумана (облака).
Относительно повышенное молекулярное поглощение атмосфер ными газами и сильное ослабление миллиметровых волн во время дождя и тумана существенно ограничивают возможности приме нения этих волн в наземных линиях радиосвязи. В космических .же линиях связи вне тропосферы миллиметровые волны могут найти широкое применение. В технике связи в последние годы миллимет ровые волны применяются при волноводном распространении ра диоволн внутри металлических труб с использованием волны типа
Ноь ослабление которой в отличие от других типов волн с увели чением частоты не возрастает, а падает. В волноводной связи пред полагается применять волны от 8 до 4 мм [70].
Заслуживает также внимания предложение, выдвинутое Губо, применять «пучковые» или «лучевые» волноводы [71], обеспечиваю щие высокую концентрацию энергии вдоль выбранного направле ния распространения. С этой целью используется система оптиче ских линз, расставленных через определенные интервалы.
Рассмотрим влияние гидрометеообразований на распростране ние электромагнитных волн оптического диапазона. В диапазоне инфракрасных лучей и видимого света тепловыми потерями в ка пельках воды можно пренебречь. Поэтому главной причиной умень шения энергии распространяющейся волны является рассеяние на указанных капельках. Расчеты и эксперименты показывают, что сильный дождь и туман полностью нарушают прохождение радио волн оптического диапазона. При слабом тумане видимость дости гает одного километра, при наиболее же плотных туманах види мость снижается до нескольких метров. Существенное ослабление волн оптического диапазона вызывают также дымка и сильная мгла. В этом случае двлыюсть связи уменьшается до нескольких километров.
В отсутствие осадков связь на волнах оптического диапазона возможна только в интервале от 0,4 до 20 мкм в пределах «окон» прозрачности.
Таким образом, оптические радиоволны целесообразно приме нять для связи лишь в тех районах земного шара, где осадки на блюдаются крайне редко. В районах с частыми осадками в прин ципе возможно устранение ослабляющего действия гидрометеоров на волны оптического диапазона. Это можно осуществить путем соз дания антенн с большой направленностью излучения и изолирова ния при помощи трубы радиолинии от окружающей атмосферы. Та кая труба не является волноводом, а представляет собой только защитную оболочку. Размещая при этом через необходимые интер валы усилительные станции, можно осуществлять передачу инфор мации на большие расстояния по принципу обычных радиорелей ных линий связи. Благодаря применению очень высоких несущих частот в оптическом диапазоне волн открываются большие возмож ности для передачи обширных потоков информации.
Следует отметить, что волны всех рассматриваемых диапазонов в полной мере пригодны для космической связи вне пределов тро посферы, где их ослабление практически отсутствует.
Г л а в а 18
РАСПРОСТРАНЕНИЕ КОРОТКИХ ВОЛН
§ 18.1. О СОБЕН Н ОСТИ РАСП РОСТРАН ЕН И Я КОРОТКИХ ВОЛН
Как отмечалось, к коротким волнам относятся радиоволны дли ной от 100 до 10 м. Они могут распространяться как поверхностные и как пространственные радиоволны. Как было показано в гла ве 12, радиоволны, распространяющиеся вблизи земной поверхно сти, частично поглощаются почвой, причем с повышением частоты поглощение радиоволн возрастает. Поэтому при используемых
обычно мощностях передатчика п о в е р х н о с т н |
ы е в о л н ы |
ко |
ротковолнового диапазона распространяются на |
небольшие |
рас |
стояния, не превышающие обычно несколько десятков километров.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П р о с т р а н с т в е н н ы е |
короткие волны распространяются |
на |
многие тысячи |
километров в результате однократного или много |
кратногоDотражения от области |
F |
ионосферы (одноекачковое |
или |
многоскачковое распространение). При этом они дважды проходят |
области |
и |
Е, |
в которых претерпевают поглощение (рис. 18.1). |
|
Распространение коротких |
|
радио |
|
|
волн сопровождается |
рядом |
особен |
|
|
ностей, из которых основными явля |
|
|
ются замирания, зоны |
молчания, |
эхо, |
|
|
рассеяние |
радиоволн |
поверхностью |
|
|
Земли |
(эффект |
Кабанова, см. |
§ |
14.7) |
|
|
и сильная зависимость их от состояния |
18.1 |
|
солнечной активности. |
|
|
|
Рис. |
|
З а м и р а н и я на коротких |
|
волнах |
и сотни раз) |
проявляются |
в |
непрерывном |
изменении (в десятки |
амплитуды принимаемого сигнала. Основной причиной замираний является многолучевое распространение радиоволн, когда в точке приема происходит интерференция нескольких отраженных от ио носферы лучей, фазы которых непрерывно изменяются вследствие непостоянства состояния ионосферы вдоль пути распространения радиоволн. Замирания наблюдаются, например, тогда, когда в точ ку приема приходят два луча, распространяющиеся путем одного и двух отражений от ионосферы (рис. 18.2, а).
Эти лучи проходят в ионосфере разные пути, и фазы их неоди наковы. Непрерывные изменения электронной концентрации иони зированных областей приводят к изменению высот точек отражения каждого из лучей. В результате происходят непрерывные измене ния длины пути каждого из лучей, и, следовательно, непрерывно изменяются разности фаз между лучами. Для изменения фазы вол ны на 180° достаточно, чтобы длина пути изменилась на KJ2, т. е. на 5-УоО м в диапазоне коротких волн. При общей длине пути, ко торая для коротких волн составляет несколько сот или тысяч кило метров, изменения длины пути на 5д-50 м всегда имеют место. По
этому на коротких волнах постоянно наблюдаются частые и глу бокие колебания принимаемого сигнала.
Замирания могут возникнуть и в результате интерференции в месте приема двух или нескольких лучей, образующихся путем рас сеяния радиоволн на флуктуирующих неоднородностях, постоянно присутствующих в ионосфере (рис. 18.2, б). Причиной замирания может быть также интерференция обыкновенной (о) и необыкно венной (я) волн, образующихся в ионосфере под действием маг нитного поля Земли (рис. 18.2, в). При этом в пункт приема на по верхности Земли приходят обыкновенный и необыкновенный лучи, отразившиеся от разных точек ионосферы.
Все перечисленные случаи замираний относятся к виду так на зываемых интерференционных замираний. Как указывалось в § 14.6 излученная линейно-поляризованная волна при распространении в направлении силовых линий магнитного поля Земли оказывается эллиптически поляризованной. Под действием флуктуационных из менений электронной концентрации на пути распространения ра диоволны в месте приема непрерывно изменяется направление большой оси эллипса поляризации. В случае приема, например, на горизонтальную (или вертикальную) антенну вектор напряженно сти поля в месте приема будет непрерывно изменять свое направ ление относительно антенны, что приведет к колебаниям сигнала на выходе антенны.
Аналогично быстрым замираниям при дальнем тропосферном распространении УКВ замирания на коротких волнах подчиняются закону распределения Релея, интегральная кривая которого приве дена на рис. 15.24 (кривая 1). Следует отличать собственно зами рания от медленных случайных изменений уровня поля, которые подчиняются логарифмически нормальному закону распределения.
Для борьбы с замираниями в приемных устройствах применяют автоматическую регулировку усиления. Кроме того, мерой борьбы с интерференционными замираниями является прием на разнесен ные антенны. В этом случае используют свойство статистической независимости сигнала при приеме коротких волн на антенны, уда ленные друг от друга на расстояние 10 Я и больше. Борьба с поля ризационными замираниями осуществляется путем одновременно го приема на вертикальную и горизонтальную антенны и последую щего сложения сигналов.
З о н о й м о л ч а н и я на коротких волнах называют кольцевую область вокруг передающей антенны, где отсутствует прием сигна лов. Появление зоны молчания объясняется, с одной стороны, тем, что поверхностные короткие волны сильно поглощаются почвой, и на расстоянии ,в несколько десятков километров от передающей ан тенны напряженность поля оказывается недостаточной для приема сигналов (рис. 18.3).
С другой стороны, как указывалось в § 14.3, условия отраже ния коротких волн от ионосферы определяются не только электрон ной концентрацией и высотой ионизированной области, но также углом возвышения ß (см. рис. 14.7). При увеличении угла ß отра жение радиоволн происходит от все более высоких областей ионо сферы, и отраженный луч попадает все ближе и ближе к передат чику. Однако по мере увеличения высоты точки отражения и при ближения ее к максимуму электронной концентрации увеличивает ся также радиус кривизны луча, который определяется выражением
Р = |
« 2/2dNa |
40,4 |
dh |
На высотах, приближающихся |
к максимуму электронной кон- |
dNa |
|
, |
центрации, величина ------ |
|
стремится к нулю, а р — к бесконечно- |
dh |
|
|
сти, т. е. при ß> ß m ax луч как бы скользит вдоль максимума элек тронной концентрации и волна распространяется на большие рас стояния (кривая I на рис. 18.3). Так продолжается до некоторого
угла ßmax, при котором частота радиоволны становится равной максимальной частоте, определяемой по формуле (14.23). При этом луч выходит за пределы ионосферы, и прием сигналов за счет про странственной волны оказывается невозможным. Очевидно, угол
Йіах определяет минимальное расстояние от передатчика, которое соответствует внешнему радиусу зоны молчания.
Для уменьшения размеров зоны молчания следует уменьшать рабочую частоту. При этом увеличивается зона поверхностной вол-
