Файл: Керблай, Т. С. О траекториях коротких радиоволн в ионосфере.pdf

Рис. 33. Зависимость Di/ym от ж0ТІ). Лныеііиый слой

Цифры у кривых — зпачешш ///с

ниях ///с кривые для разных утполностью совпадают. При ///с> 2 имеются некоторые различия, которыми можно пренебречь при решении ряда практических задач.

§ 3. Расстояние скачка радиоволны. Луч Педерсепа

В предыдущих параграфах основное внимание было обращено иа анализ пути радиоволны в ионосферном слое. Однако полная траектория радиоволны на пути между передатчиком и приемником складывается из траектории в ионосфере и прямолинейного отрез­ ка траектории в свободном пространстве между Землей и ионо­ сферой.

При односкачковом распространении полное расстояние скач­ ка складывается из двух частей

D = Dq + D і = 2?зѲо +

где Dо — путь радиоволны в неионизированном пространстве. Значение D0 определяется из геометрических соображений

и зависит от высоты нижней границы отражающего слоя А0иугла падения радиоволн на эту границу ф„.

57

При рассмотрении параметров траектории волны в ионизиро­ ванном слое удобно пользоваться углом ср0. При рассмотрении наземных линий радиосвязи лучше применять угол излучения, отсчитываемый от линии горизонта А, так как этот угол может быть отояэдествлен с углами в вертикальной плоскости, под кото­ рыми направлены главные лепестки передающей и приемной ан­ тенн:

Л3-}-/ю

Д == arccos s i n ф о (3.12)

Воспользовавшись этим соотношением, можно выразить Dt и D0 как функцию А и получить зависимость D от А.

Характерный вид зависимостей D от А и ///0, удобный для практического применения 1, представлен на рис. 34; такие кривые были использованы в работах [23, 64]. В работе [54] приведены D (А)-кривые, соответствующие набору параметров среднешп­ ротной ионосферы. Эти материалы позволяют сравнительно про­ сто определить расстояние скачка, углы прихода и другие харак­ теристики. На рис. 34 приведены зависимости D (А) для разных отношений ///с при параболической и линейной аппроксимации N (h), вычисленные для ут ä 100 км и /і0 = 200 км, которые по­ зволяют определить: расстояние скачка для заданных угла излу­ чения и частоты, рабочие частоты, которые могут прийти на за­ данное расстояние, наиболее вероятные углы прихода, максималь­ ное расстояние скачка, МПЧ, а также решить ряд других задач.

Из сравнения зависимостей D (А) для линейного и параболи­ ческого слоев видно, что они отличаются как по форме, так и по абсолютным значениям. Максимальные расстояния скачка значи­ тельно больше при отражении радиоволн от слоя линейной формы (на 500—600 км). Характерным отличием формы D (А) парабо­ лического слоя является наличие двух углов излучения для одного расстояния.

При отражении радиоволн от ионизированного слоя с парабо­ лическим распределением ионизации с высотой (а также при неко­ торых других формах N (/^-распределений, выражающихся кри­ выми второго и более высокого порядка) радиосвязь на расстоя­ нии одного скачка на заданной частоте может быть осуществлена двумя путями — нижним и верхним лучами (верхний луч назы­ вают лучом Педерсена). В тех случаях, когда рабочая частота близка к МПЧ для данного расстояния, верхний и иижиий лучи

1 Зависимости D (А) для параболического и линейного слоев были вычисле­ ны для расстояний, превышающих 1000 км, поэтому в расчете принимали значения А ^ 30°.

58

1 — линейный слой; 2 — параболический

Рис. 35. Схема образования минимума кривой І?(Д)

а — зависимость В . и D , от Д; б — зависимость D от Д

поскольку правая ветвь D (Д) оборвана на конечных значениях D. Однако теоретически Dh а следовательно, и D для параболическо­ го слоя стремятся к бесконечности при предельном угле ср0(и соот­ ветствующем ему Д). Правые части зависимостей D(Д) параболи­ ческого слоя могут быть продолжены в виде линий, параллельных оси ординат и уходящих в бесконечность, тогда каждому расстоя­ нию, за исключением минимального, будут соответствовать два луча.

Наличие двух возможных путей при отражении от параболиче­ ского слоя находит простую интерпретацию при рассмотрении слагаемых, которые составляют полное расстояние скачка D0 + D t. Они являются монотонной функцией Д, но имеют производные разных знаков [65]. В результате возникает экстремум D при не­ котором угле Дэ, и для некоторого диапазона углов А, вблизи Дэ, расстояние D может быть перекрыто при двух углах излуче­ ния. Условием экстремума является смена знака производной dD/dA:

= 100 км)

компенсируется в ряде случаев меньшим поглощением в нижнеи части ионосферы из-за меньшего пути в слоях D и Е. Кроме того, и пространственное ослабление луча Педерсена не всегда сущест­ венно превышает пространственное ослабление нижнего луча.

Определить степень пространственного ослабления лучей мож­ но через эффективную длину пути Se [7] (см. подробнее гл. V)

лучены все необходимые элементы для определения Se для верх­ него и нижнего лучей.

На рис. 37 в качестве примера приведен график, показываю­ щий, как изменяется пространственное ослабление лучей по мере удаления рабочей частоты от МПЧ для заданного расстояния. По оси ординат отложено отношение эффективного пути луча к пути по эквивалентному треугольнику, SJS, где S — D/cos А, по оси абсцисс — отношение рабочей частоты к критической частоте слоя. При рабочей частоте, соответствующей МПЧ, фокусировка неограниченно возрастает и формула (3.14) неприменима: в точке МПЧ на графике рис. 37 имеется разрыв. Нижняя кривая соот­ ветствует нижнему лучу, верхняя —верхнему. Из графика видно, что пространственное ослабление нижнего луча примерно одина­ ково во всем диапазоне частот ///с, кроме непосредственной близо­ сти к МПЧ (1—2%). Вблизи МПЧ фокусировка сильно увеличи­ вается, пространственное ослабление вблизи МПЧ очень мало и для верхнего и для нижнего лучей. Верхний луч при удалении рабочей частоты от МПЧ в сторону уменьшения испытывает быст­ рое пространственное ослабление. При удалении более чем на 6% от МПЧ S e/S для верхнего луча больше двух, т. е. ослабление

61

такое же, как при вдвое большем пути. В табл. 2 приведены диа­ пазоны отклонения углов Л и отклонения рабочей частоты от МПЧ, при которых ослабление верхнего луча не превышает ослабления при распространении по пути длиной S и 25. В этих случаях по­ терн за счет пространственного ослабления лучей при связи с по­ мощью луча Педерсена вполне допустимы, и, учитывая меньшее поглощение в нижележащих слоях, поле, создаваемое верхним лучом, может быть такого же порядка, как поле нижнего луча.

§ 4. Время распространения радиосигнала

Так же, как и расстояние скачка, время распространения сиг­ нала Т на пути от передатчика до приемника при одиоскачковом способе распространения складывается из времени, необходи­ мого для прохождения прямолинейного пути до вхождения в ионо­ сферу Т0 и прохождения пути в ионосфере Тг:

То Ро Т; = Р 1

где с — скорость света, Р0 — удвоенное расстояние от передатчи­ ка до ионосферы, Рі — групповой путь радиоволны в ионосфере,

Способами вычисления этого интеграла также являются числен­ ное интегрирование, упрощение подынтегрального выражения или выбор специального N (^-распределения.

На рис. 38 приведено время распространения радиосигнала в параболическом и линейном слоях, вычисленное численным ин­ тегрированием выражения (3.15).

При распространении в слое с линейным законом распределе­ ния электронной концентрации с высотой радиоволна глубже про­ никает в слой, в этом случае больше расстояние Dt, соответствую­ щее пути радиоволны в ионосфере, и, естественно, больше время распространения сигнала в ионосфере, чем в слое параболиче­ ской формы. Из рисунка видно, что по абсолютным значениям Ті в линейном слое больше, чем в параболическом, на 0,4—1 мсек,

62