по мере распространения в ней изменяет форму своего фронта. На рис. 18.9 в качестве примера приведена картина изменения фронта, а следовательно, фазовой скорости сферической обыкновенной вол
|
|
|
|
|
|
ны при ее распространении в ионосфере. |
волны в ионо |
Из рисунка видно, что по мере |
проникновения |
сферу фронт ее изменяется сложным образом: от |
сферического — |
в начале ионосферной области |
(1), |
до седлообразного — в глубине |
области |
(4) |
в районе точки отражения. Изменение фронта волны |
|
в ионосфере приводит к тому, что при распространении какого-либо сигнала направление распространения радиоволн в ионосфере (на правление вектора групповой скорости) не совпадает с направле нием распространения в момент падения радиоволн на ионосферу. Иными словами, при распространении радиоволн в ионосфере в
У
присутствии постоянного магнитного поля Земли траектория радио волн будет отличаться от траектории, описываемой уравнениями (14.17) и (18.11). При этом отклонение луча происходит как в плос кости падения волн, так и в перпендикулярной плоскости. На рис. 18.10 дано аксонометрическое изображение траектории луча обыкновенной волны (сплошная линия) при ее распространении в ионосфере.
Из рисунка видно, что волна претерпевает искажение траекто рии в вертикальной плоскости (плоскости xz). Кроме того, волна выходит из плоскости падения xz, получая боковое отклонение. Пунктирными линиями обозначены проекции траектории волны на плоскости xz (1) и ху (2). Примерно аналогичным образом ведет себя и необыкновенная волна. Боковое отклонение волны, а также
искажения формы траектории в вертикальной плоскости зависят от угла между направлением распространения волн и направлени ем магнитного поля Земли. Боковые отклонения и искажения мак
симальны для углов между горизонтальной |
составляющей маг |
нитного поля Земли |
Н х |
и плоскостью падения волны. Эти углы ле |
жат примерно в пределах 10-у60°. |
вследствие анизо |
Боковые отклонения |
траектории радиоволн |
тропных свойств ионосферы могут явиться источником ошибок при радиопеленгации на коротких волнах, которые, как показывают расчеты и эксперименты, могут составлять 5н-10° и более.
Если излучатель электромагнитной энергии расположен в ионо сфере н а к а к о й - т о в ы с о т е над поверхностью Земли, напри мер на искусственном спутнике Земли (ИСЗ), то при связи с Зем лей распространение радиоволн происходит в среде, показатель преломления которой изменяется вдоль пути распространения. Ра диоволны вследствие ионосферной рефракции будут испытывать искривление траектории. Степень искривления луча в ионосфере зависит от угла падения волны на ионосферные области и частоты радиоволн. Может случиться так, что радиоволны не придут к по верхности Земли, а пройдут над нею и возвратятся назад к ионо сфере. Это видно на рис. 18.11, на котором приведены кривые для разных углов выхода ф, иллюстрирующие результаты расчета тра екторий радиоволн частотой f = 4/Kp для передатчика, расположен ного на высоте 200 км над Землей [77].
Из рисунка следует, что с уменьшением углов выхода ф радио волн траектории лучей как бы приподнимаются над поверхностью Земли, и распространение радиоволн на большие расстояния про исходит в результате многократного отражения от ионосферы. Ус ловием возникновения подобного механизма распространения, на зываемого в акустике «шепчущей галереей», является не большой угол падения на ионизированные слои, а малая кривизна луча, сравнимая с кривизной самой ионосферы.
Г л а в а 19
РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕРХДЛИННЫХ, ДЛИННЫХ И СРЕДНИХ РАДИОВОЛН
§ 19.1. О СО Б ЕН Н О СТ И РА СП Р О СТРА Н ЕН И Я СВ ЕР Х Д Л И Н Н Ы Х И Д Л И Н Н Ы Х ВОЛН
Сверхдлинные и длинные волны используются главным образом для телеграфной связи на дальние расстояния. За последние годы проведено много теоретических и экспериментальных исследований в области распространения волн этих диапазонов. Необходимость указанных исследований вызывалась тем, что, во-первых, разраба тывались радионавигационные системы, использующие эти диапа зоны, а, во-вторых, на волнах данных диапазонов возможен прием под водой (в морской воде глубина проникновения этих волн сос тавляет несколько десятков метров), что может быть использовано для связи с подводными лодками. Кроме того, оказалось возмож ным использование сверхдлинных и длинных волн в службе грозо вого предупреждения. По аналогичным причинам проводятся иссле дования радиоволн инфразвуковых и звуковых частот.
Как указывалось в главе 10, к сверхдлинным волнам относятся
|
|
|
|
|
радиоволны длиной от 10 000 до 100 000 |
м, |
а к длинным — от 1000 |
до 10 000 |
м. |
Подобное разграничение имеет условный характер, но |
|
тем не менее оно целесообразно в связи с некоторым различием в особенностях распространения длинных и сверхдлинных волн. На
пример, длинные волны в диапазоне 2000-У5000 |
м |
в дневное время |
распространяются на |
сравнительно большие |
|
расстояния (до |
1000 |
км) |
в основном |
как поверхностные волны, |
и практически в |
|
дневное время можно пренебречь влиянием 'пространственной вол ны. Это объясняется тем, что длинные волны в дневное время силь но поглощаются ионизированной областью D. На расстояниях около 1000 км, а ночью и на меньших расстояниях поля простран ственной и поверхностной волн соизмеримы. На сверхдлинных же волнах на всех расстояниях в любое время суток поле пространст венной волны значительно и должно учитываться, начиная с 300-У400 км. На расстояниях свыше 3000 км длинные и сверхдлин ные волны распространяются только пространственной волной.
Для длинных и сверхдлинных волн нижняя граница ионосферы и поверхность Земли (радиуса а) являются отражающими поверх ностями. Так как длины волн этих диапазонов соизмеримы с высо той между указанными отражающими поверхностями, то в соответ ствии с главой 8 распространение длинных и особенно сверхдлин ных волн, начиная с момента формирования фронта волны, можно рассматривать как распространение радиоволн в сферическом вол новоде высотой h (рис. 19.1).
В зависимости от времени суток высота волновода изменяется приблизительно в пределах от 70' км (днем, область D) до 90 км
(ночью, область Е). Исследования показывают, что изменение поля этих волн с расстоянием имеет интерференционный характер в ре зультате суперпозиции поверхностной и пространственной волн
(рис. 19.2).
300 |
т |
500 |
500 |
WO |
800 г, км |
|
|
Рис. |
19.2 |
|
|
Как видно из рисунка, длинные волны распространяются в ос новном как поверхностные без существенного влияния пространст венной волны до расстояний порядка 400 км. С увеличением длины волны это расстояние будет уменьшаться.
Нижнее основание сферического волновода — Земля обладает свойствами полупроводника, а верхнее — ионосфера в зависимости от времени суток может быть либо полупроводником (днем об ласть D ), либо диэлектриком (ночью область Е ) с е<0 . Нижние границы областей Е и D довольно резко очерчены, а электронная концентрация в них с высотой на расстоянии порядка длины волны быстро увеличивается. В результате этого (а также в результате пологого падения волн) при отражении от ионосферы радиоволны рассматриваемых диапазонов не проникают глубоко в толщу иони зированного газа( кроме длинных волн в случае области D ) и по этому испытывают малое поглощение.
Отраженные от ионосферы волны под влиянием магнитного по ля Земли имеют эллиптическую поляризацию.
Как во всяком волноводе, в сферическом волноводе имеются оп тимальные волны, которые распространяются с наименьшим зату ханием, и критические волны, которые практически не распростра
няются при данных размерах волновода. В сферическом волноводе, образованном поверхностью Земли и ионосферой, оптимальные волны имеют длину 25-1-35 км, а длина критической волны порядка
100 км.
Сверхдлинные и длинные волны сравнительно мало поглощают ся при прохождении в толще Земли и хорошо огибают вследствие дифракции сферическую поверхность Земли. Кроме того, на их рас пространение практически не влияют шероховатости и мелкие элек трические неоднородности Земли.
На длинных и сверхдлинных волнах возникает своеобразное яв ление, называемое эффектом антипода, сущность которого заклю чается в следующем. Известно, что по мере удаления от источника излучения напряженность поля на всех диапазонах волн уменьша
|
|
|
|
|
|
|
|
ется. |
Однако на сверхдлинных и длинных волнах на больших рас |
стояниях от излучателя (Ли на рис. 19.3, |
а), |
соответствующих точ |
кам |
А |
а.п, лежащим примерно на другом |
конце диаметра Земли |
(r = jta~20 000 |
км), |
проведенного из точки излучения, имеет место |
обратное явление, т. |
е. возрастание напряженности поля, которое |
иполучило название эффекта антипода.
Аи
Рис. 19.3
Это явление можно объяснить таким образом. Электромагнит ные волны, создаваемые передающей, обычно не направленной в горизонтальной плоскости антенной, распространяются во всех на правлениях П в волноводе, образованном двумя сферами: Землей и ионосферой. По мере удаления от источника излучения попереч ное сечение сферического волновода, имеющее кольцеобразную форму, будет возрастать до тех пор, пока внутренний радиус коль ца не станет равным радиусу земного шара (Ѳ = л/2). С этого мо мента по мере увеличения расстояния от антенны будет уменьшать ся площадь поперечного сечения волновода (кольца), а следова тельно, возрастает плотность потока энергии волны. Это вызывает увеличение напряженности поля в точке, диаметрально противопо ложной источнику излучения (рис. 19.3, б, пунктирная кривая). По скольку волны при отражении от ионосферы и поверхности Земли испытывают ослабление, напряженность поля в действительности
будет изменяться с расстоянием по сплошной кривой, приведенной на рисунке.
Непрерывные случайные флуктуационные изменения электрон ной концентрации в ионосфере и связанные с этим случайные изме нения высоты границы отражения от ионосферы мало влияют на работу радиолиний рассматриваемого диапазона, так как длина волны значительно больше указанных изменений высоты отража ющего слоя. Практически эти причины вызывают изменение напря женности поля в точке приема не более чем на 104-30%. При этом время изменения достигает десятков минут и даже нескольких ча сов. Суточные колебания напряженности поля длинных и сверх длинных радиоволн тем заметнее, чем короче длина волны. С на ступлением темноты напряженность поля обычно возрастает, что может быть объяснено уменьшением потерь при отражении от об ласти Е по сравнению с областью D.
Годовые изменения напряженности поля невелики, причем, как правило, летом в дневные часы напряженность поля на 204-50% больше, чем зимой, а ночью, наоборот, меньше.
Одиннадцатилетний период солнечной активности оказывает незначительное влияние на распространение сверхдлинных и длин ных волн. Невелико также влияние ионосферных возмущений. Это объясняется тем, что возмущения имеют место главным образом в верхних слоях ионосферы, от которых не зависит распространение сверхдлинных и длинных волн.
В заключение отметим, что сверхдлинные и длинные волны, от ражаясь от устойчивых ионизированных областей D и Е, обладают постоянством характеристик распространения, поэтому прием на этих волнах достаточно устойчив и надежен.
§ 19.2. М ЕТО Д И К А РАСЧЕТА Н А П РЯ Ж ЕН Н О СТИ ПОЛЯ СВ ЕР Х Д Л И Н Н Ы Х И Д Л И Н Н Ы Х ВОЛН
Ранее указывалось, что сверхдлинные и длинные волны до рас стояний примерно 3004-400 км распространяются преимущественно как поверхностные. При таких сравнительно небольших расстояни ях поверхность Земли можно считать плоской и амплитудное значе ние напряженности поля, создаваемого вертикальным электриче ским диполем, установленным на Земле, можно вычислять с помо щью формулы Шулейкина — Ван-дер-Поля (12.8) — (12.12) или кривых рис. 12.13, 12.14, а также формулы (12.30). Для определе ния напряженности поля радиоволн указанных диапазонов на рас стояниях свыше 400 км обычно необходимо учитывать влияние от раженной от ионосферы волны.
Расчет напряженности поля в этом случае сводится к решению задачи распространения радиоволн в сферическом волноводе, обра зованном поверхностью Земли и нижней границей ионосферы [79]. В таком волноводе как и в обычных волноводах, возникает множе ство видов собственных волн разных типов, и поле в точке приема представляет собой результат суперпозиции этих волн. В зависимо-
