Материал: 1221

25

действия тропосферы. Рассеяние на неоднородностях тропосферы проявляется только на волнах короче 10 м, которые слабо дифрагируют вокруг земного шара и не распространяются за счет отражений от ионосферы. В тропосферных волноводах практически могут распространяться волны короче 3 м.

Ионосферными, или пространственными, волнами называются радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния и огибающие земной шар в результате однократного или многократного их отражения от ионосферы (в диапазоне волн длиннее 10 м), а также волны, рассеивающиеся на неоднородностях ионосферы и отражающиеся от ионизированных следов метеоров (в диапазоне метровых волн).

Таким образом, характер влияния тех или иных факторов на распространение радиоволн существенно зависит от длины волны. В связи с этим радиоволны подразделяют на 12 основных диапазонов (таблица 2.1).

2.7 Область пространства, существенно участвующая в формировании поля на заданной линии

В теории распространения радиоволн, особенно при оценке влияния земли, важное значение имеет понятие «существенная область». Наличие существенной области можно определить путем эксперимента. Установим на пути распространения волны от точки А точке В непрозрачный для радиоволн экран с отверстием переменного диаметра d (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9

Если диаметр отверстия велик, что соответствует отсутствию экрана, напряженность поля в точке В равна величине E0. Будем затем уменьшать диаметр отверстия до тех пор, пока измерительный прибор не покажет явного уменьшения поля. Соответствующее значение d есть диаметр области, существенно участвующей в передаче энергии волны. Помещая экран на разных расстояниях от источника, можно таким образом выявить конфигурацию существенной области.

26

Форму и размеры существенной области возможно установить и аналитически, используя принцип эквивалентности. Согласно этому принципу поле в точке приема определяется суммарным действием вторичных источников, распределенных по воображаемой поверхности, замкнутой вокруг источника А или точки приема В.

Выберем поверхность, которая охватывает источник, и для упрощения расчетов составим ее из бесконечной плоскости S0, расположенной перпенди-

кулярно линии АВ (рисунок 2.10), и полусферы S с бесконечным радиусом, которая замыкает плоскость S. Поля от источников, расположенных на беско-

нечно удаленных участках поверхности S0 + S , бесконечно малы вследствие расходимости волны. Поэтому суммарное поле формируется источниками на поверхности S0, расположенными на конечном расстоянии от точки В. Для облегчения суммирования разделим плоскость S0 на зоны Френеля.

Рисунок 2.10

Построим серию ломаных ACnB (рисунок 2.11, а), пересекающих плоскость S0 так, чтобы длина каждой последующей ломаной была больше длины предыдущей на половину длины волны:

Семейство ломаных линий, удовлетворяющих условиям (2.8), при пересечении с плоскостью S0 образует на этой плоскости систему окружностей с центром в точке O (рисунок 2.11, б). Участки плоскости, ограниченные окружностями, называют зонами Френеля на плоскости. Первая зона представляет собой круг, зоны высших номеров – кольцевые области.

27

Рисунок 2.11 - Зоны Френеля

Суммарное поле от всех источников рассчитывается с учетом их распределения по зонам Френеля. Амплитуда поля от элемента поверхности S

сунка 2.10 и из (2.11), угол под которым элемент поверхности Sn излучает в точку B вдоль каждой ломаной rn .

Расчеты показывают, что результирующие векторы полей от источников соседних зон почти коллинеарны, при этом векторы En и En+1 направлены противоположно из-за различия на /2 длин путей rn rn и rn 1 rn 1 согласно (2.11). Амплитуда E(n=1) max < En max, поскольку путь rn 1 rn 1 rn rn и с увеличением n уменьшается значение cos . В результате коллинеарности векторов полей от источников в отдельных зонах Френеля амплитуда результирующего поля определяется алгебраическим суммированием, при этом учет фазы приводит к знакопеременному ряду. Каждый член ряда равен амплитуде поля, созданного в точке приема источниками n-й зоны:

Emax = E1 max – E2 max + E3 max – E4 max + E5 max – …

Для выявления количественных отношений удобно записать ряд в виде:

Поскольку соседние члены ряда мало отличаются друг от друга, то значение поля в каждой из скобок выражения для Emax близко к нулю, и в первом приближении результирующее поле:

т.е. напряженность поля равна половине той величины, которая создается источниками первой зоны Френеля.

Результат последовательного от зоны к зоне алгебраического суммирования полей можно проследить по кривой, приведенной на рисунок 2.12. При суммировании полей от источников только первой зоны напряженность поля возрастает до E = 2E0, где E0 – поле в свободном пространстве. При дальнейшем сложении проявляется действие противофазных полей от источников второй зоны, и результирующая напряженность поля уменьшается. Компенсирующее действие полей от источников четных зон Френеля обусловливает немонотонный закон приближения величины E к E0 при n .

Рисунок 2.12 - Суммирование полей по n

Существенную область обычно ограничивают примерно восемью зонами Френеля. При таком приближении ошибка в вычислении поля не превышает 16 %.

Выясним вопрос о пространственной форме существенной области. Соотношение (2.8) должно выполняться при любом положении плоскости S0 вдоль линии АВ (рисунок 2.13). Поэтому (2.8) является уравнением эллипсоида вращения. Таким образом, существенная область как пространственная фигура является эллипсоидом вращения с фокусами в точках передачи и приема.

Внешний радиус n-й зоны Френеля n согласно рисунку 2.11, а и усло-

вию (2.8), а также с учетом того, что на реальных линиях r0 r0 2 , опре-

деляется соотношением:

n r0r0 . (2.13)