Файл: Красюк Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн учеб. пособие.pdf

с помощью антенны в виде свободно распространяющихся радио­ волн. Эти радиоволны распространяются в среде и затем восприни­ маются приемной антенной. Таким образом, в отличие от проводной связи в радиолинии связующим звеном являются не провода (ка­ бель и т. д.), а природная среда — атмосфера, земная поверхность или космическое пространство.

Напомним, что радиоволны с неизмененными частотой и ампли­ тудой никакой информации не передают. Для передачи информации используются радиосигналы, представляющие собой радиоволны с

Ионосфера

изменяющимися по тому или иному закону амплитудой и частотой. Обычно радиосигналы получают путем модулирования в передат­ чике высокочастотных электромагнитных колебаний низкочастот­ ными. Следовательно, радиосигнал характеризуется несущей часто­ той, формой огибающей амплитуд и законом ее изменения.

Радиолинии делят на две группы — пе’рвичные и вторичные.

В случае п е р в и ч н ы х радиолиний информация сообщается ра­ диосигналу в процессе его формирования передающей станцией.

Изменения, которые вносятся средой в характеристики радио­ сигнала в процессе его распространения (например, вследствие рассеяния на неоднородностях атмосферы и на различных объектах, препятствиях), являются мешающими для приема этого радиосиг­

ну Лдр.

На рис. 10.1, б приведен другой пример первичной радиолинии. В этом случае радиоволны, излучаемые передающей антенной, до­

304

стигают приемной антенны вследствие отражения их от ионосферы. В дальнейшем будет показано, что радиоволны могут достигать пункта приема также путем распространения у поверхности Земли и дифракционного ее огибания, рефракции в тропосфере и т. д.

Примером первичной радиолинии является также радиолиния связи наземной радиостанции с различными летательными, в том числе космическими аппаратами.

Разновидностью радиолиний первой группы является радиоре­ лейная линия связи рис. 10.1, в, представляющая собой последова­ тельную совокупность (цепочку) первичных радиолиний. Переда­ ваемая по системе связи информация попадает на конечный пункт' не непосредственно (из-за большой протяженности линии связи А и— Лир), а через промежуточные станции Л ь Л2 и т. п., которые являются активными ретрансляторами. Радиосигнал, излучаемый антенной передающей станции или предыдущей промежуточной станции, воспринимается приемной антенной ретранслятора, усили­ вается и затем излучается (обычно на несколько измененной несу­ щей частоте) с помощью передающей антенны ретранслятора в на­ правлении на последующую соседнюю станцию.

В т о р и ч н ы е радиолинии характеризуются тем, что излучаемый передающей антенной Ли радиосигнал не несет информации, и он непосредственно не попадает в пункт приема (Лпр, рис. 10.1, г). Из­ лучаемые радиоволны, распространяясь в среде, падают на искус­ ственный (например, самолет, рис. 10.1, г) или естественный (на­ пример, грозовое облако) объект, который по электромагнитным параметрам отличается от окружающей среды. Такой объект рас­ сеивает падающие радиоволны по различным направлениям, т. е. создает вторичное электромагнитное поле, которое-и воздействует на приемную антенну А пр. О наличии объекта и его параметрах судят по характеристикам, которые приобрел радиосигнал под влия­ нием этого объекта. Следовательно, при указанных радиолиниях информация извлекается не из первичного падающего электромаг­ нитного поля, а из вторичного (рассеянного) поля. Вторичные ра­ диолинии находят применение прежде всего в радиолокации. В ра­ диолокационных станциях приемное и передающее устройства часто располагаются в одном пункте, а для излучения и приема радио­ сигналов используется обычно одна и та же антенна.

При распространении радиосигналы, как указывалось, подвер­ гаются тем или иным воздействиям со стороны среды и объектов, в ней расположенных. Эти воздействия приводят к ослаблению и ис­ кажению передаваемых радиосигналов, возникновению различного рода помех, изменению скорости распространения и направления прихода радиосигналов и другим эффектам. Вследствие этого при рассмотрении процессов распространения радиоволн требуется ре­ шить три основные задачи [6, 7], а именно:

1) рассчитать напряженность электромагнитного поля волны в месте приема при известных параметрах передатчика и заданной длине волны или найти оптимальную длину волны, при которой ука­ занная напряженность поля будет максимальна при заданных па­

305

раметрах передатчика и реальных процессах взаимодействия элект­

ромагнитного поля волны и среды; 2) изучить возникающие в процессе распространения искажения

формы радиосигнала и разработать мероприятия по сведению их

до минимума; 3) определить истинную скорость и истинное направление при­

хода радиосигнала.

Вторая часть настоящей книги.посвящена решению главным об­ разом этих задач. Вначале рассматриваются вопросы распростра­ нения радиоволн в свободном пространстве, затем изучаются элек­ трические свойства земной поверхности и атмосферы и далее опи­ сываются процессы, происходящие при распространении радиоволн на реальных трассах.

§ 10.2. РАСП РОСТРАН ЕН И Е РАД И ОВОЛ Н В СВОБО ДН ОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Под свободным пространством понимается однородная изотроп­ ная непоглащающая среда, относительная диэлектрическая про­ ницаемость которой равна единице. Как показано в главах 6 и 7, в такой среде радиоволны распространяются прямолинейно и с пос­ тоянной скоростью. Хотя среды как идеального вакуума, для кото­ рой величина е в точности равнялась бы единице, не существует, однако соотношения, получаемые при решении задач распростра­ нения радиоволн в таком простейшем случае, являются исходными. Влияние реальных сред на распространение радиоволн может быть учтено введением в эти соотношения соответствующих множителей.

Изучение распространения радиоволн в свободном пространстве начнем с рассмотрения поля простейшего излучателя, которым яв­ ляется элементарный диполь.

Излучение элементарного диполя в однородной среде рассмотре­ но в главе 6. В частности там приведены диаграммы излучения по полю (см. рис. 6.10) и по мощности (см. рис. 6.11).

Напишем выражение для амплитуды напряженности электриче­ ского поля элементарного диполя в волновой зоне. Для этого в вы­

ражение для комплексной амплитуды (6.21) подставим /= / то и еа = ео и возьмем от него модуль. Тогда

Подставив из (6.26) выражение для Іт1/Х в (10.1), найдем амп­ литуду напряженности поля элементарного диполя в свободном пространстве в волновой зоне:

Более общее выражение напряженности поля, справедливое для любого излучателя (антенны), можно получить, если ввести в фор­ мулу (10.2) коэффициент направленного действия реального излу-

306

чателя. Для этого предположим вначале, что энергия, излучаемая антенной Ли (рис. 10.2), распределяется равномерно по поверхности сферы, проведенной радиусом г из точки Лп через точку расположе­ ния приемной антенны Лпр. ТогДа среднее значение модуля вектора Пойнтинга, определяющего плотность потока энергии в единицу вре­ мени на поверхности рассматриваемой сферы, будет равно

Рис. 10.2

Реальные антенны излучают неизотропно, т. е. они обладают направленным излучением. Поэтому в местах расположения ан­ тенн ЛПрі и ЛПр2, находящихся на одинаковых расстояниях г от излучающей антенны, но при разных направлениях относитель­ но оси диаграммы направленности этой антенны, плотности па­ дающей энергии будут разными. Указанное обстоятельство в соот­ ветствии с главой 6 учитывается коэффициентом направленного дей­ ствия антенны D n:

С другой стороны, модуль вектора Пойнтинга в любой точке свободного пространства в соответствии с (2.48) и (7.18) равен

П = (10.4) 2Zn 240я

Приравнивая правые части выражений (10.3) и (10.4), находим амплитуду напряженности поля, создаваемого реальной антенной в свободном пространстве:

Выражение для мгновенного значения напряженности электри­ ческого поля радиоволн, создаваемых антенной в свободном про­ странстве, может быть записано следующим образом:

307