Материал: 751

Эксперименты по измерению показателя преломления в тропосфере показывают, что высота тропосферных волноводов редко превышает 200 м и, следовательно, в тропосферных волноводах возможно распространение в основном сантиметровых и дециметровых волн.

Значение сверхрефракции для дальней радиосвязи невелико, так как само явление температурной инверсии носит нерегулярный характер и не может обеспечить устойчивой связи на большие расстояния. Однако появление тропосферного волновода может являться причиной помех при работе радиолокационных станций, которые не могут обнаружить самол¸т, находящийся выше тропосферного волновода. Заметим, что сверхрефракция оптических волн была известна человечеству

ñдревнейших времен как явление миража.

4.3.Распространение радиоволн путем рассеяния на неоднородностях

тропосферы

Дальнее распространение радиоволн УКВ-диапазона имеет место и при отсутствии сверхрефракции. Основной причиной заметных уровней напряж¸нности электрического поля за пределами горизонта, превышающих величину напряж¸нности дифракционного поля, является рассеяние радиоволн неоднородностями тропосферы. Эти неоднородности непрерывно возникают в тропосфере за сч¸т постоянно существующего турбулентного (вихревого) движения воздуха. Величина неоднородностей, как правило, очень мала, изменение индекса преломленияN составляет всего несколько единиц при индексе преломления N 325 для нормальной тропосферы.

Схематически тропосферная линия связи за сч¸т рассеяния на неоднородностях изображена на рис. 4.6.

Допустим, что неоднородности сосредоточены в объ¸ме V. Все неоднородности в этом объеме являются источниками рассеянного излучения. Рассмотрим одну из точек объема. Пусть в точке Q передающая антенна созда¸т плотность потока мощности, равную

ÏQ P1D1 ,

4 r12

ãäå D1 — коэффициент направленного действия передающей антенны; P1 — мощность излучения передающей антенны; r1 — расстояние от передающей антенны до точки Q объема рассеяния.

Рис. 4.6. Тропосферная линия связи за сч¸т рассеяния на неоднородностях тропосферы

Обозначим через S( ) удельную эффективную площадь рассеяния единицы объ¸ма тропосферы с центром в точке Q. Эффективной площадью рассеяния называется величина (имеющая размерность площади), которая, будучи умноженной на плотность потока мощности первичного излучения (в месте расположения рассеивающего тела) и разделенной на 4 r22 , да¸т плотность потока мощности рассеянного излучения в точке приема. Удельная эффективная площадь рассеяния является функцией угла рассеяния .

Тогда мощность вторичного излучения, рассеянного элементом объема dV с центром в точке Q, будет

Плотность потока мощности переизлученной волны от объема dV в месте расположения при¸мной антенны будет

dPQ dÏB 4 r22 ,

ãäå r2 — расстояние от рассеивающего тела до приемника. Мощность, извлекаемая при¸мной антенной:

ãäå S2ýôô — эффективная площадь при¸мной антенны, связанная с коэффициентом направленного действия D2 соотношением (1.9).

Подставляя в соотношение (4.23) значения dÏ è S2ýôô , найдем мощность, создаваемую единицей объ¸ма рассеяния в месте расположения приемной антенны:

dP2 P1D1D2 2S( )dV .

16 2r12r22

Для определения мощности, создаваемой переизлучением всех неоднородностей объема V, проинтегрируем это выражение по всему объ¸му рассеяния:

Формула (4.24) показывает, что для расч¸та мощности радиоволны в при¸мной антенне, во-первых, необходимо знать конфигурацию объ¸ма V тропосферы, участвующего в создании рассеянного излучения. Рассеивающий объем обычно определяют как пространство, ограниченное пересечением главных лепестков диаграмм направленности передающей и при- ¸мной антенн. Во-вторых, необходимо знать выражение удельной эффективной площади рассеяния. Эту величину получают при статистическом рассмотрении процесса рассеяния радиоволн на неоднородностях тропосферы и выражают через среднеквадратичное значение флуктуаций диэлектрической проницаемости тропосферы [1, 7].

Воспользоваться формулой (4.24), как правило, не удается из-за недостаточной изученности функции S( ). Кроме того, рассмотренная модель дальнего тропосферного распространения (ДТР), основанная на существовании мелких неоднородностей в тропосфере, не является единственной. Существуют теории, учитывающие также и отражения радиоволн в тропосфере от слоистых образований [1,3,4]. Поэтому при расчетах поля при ДТР используются в основном экспериментальные данные.

На рис. 4.7 приведен пример записи зависимости напряженности поля Å в точке приема от времени t.

E

Eïîð

E0,9

E0,5

t

Рис. 4.7. Запись напряженности поля сигнала, подверженного замираниям

Из рисунка видно, что напряженность поля испытывает случайные изменения своего уровня, которые называются замираниями. По своему характеру и длительности замирания можно четко разделить на два типа: быстрые и медленные. Длительность быстрых замираний составляет от долей секунд до нескольких минут. Медленные замирания имеют длительность от часов до суток и более. Установлено, что причиной быстрых замираний является интерференция в точке приема большого количества волн, рассеиваемых отдельными частями îáú¸ì à V. При этом амплитуды этих волн можно считать постоянными, а фазы изменяются случайным образом в пределах от 0 до 2 из-за турбулентного движения воздуха в рассеивающем объеме V. Медленные замирания связаны с изменением метеоусловий на трассе распространения, например выпадением осадков, изменением давления, температуры и т.п.

Пунктирными линиями на рис. 4.7 обозначены уровни напряженности поля, которые превышаются сигналом в течение определенного времени наблюдения. Так, уровень E0,5 превышается в течение 50 % времени наблюдения. Такой уровень называется медианным. Уровень E0,9 превышается в течение 90 % времени наблюдения. Очевидно, что можно провести уровни сигналов, превышаемые для любой заданной доли времени наблюдения.

На рис. 4.7 нанесена также линия постоянного уровня Eïîð , которая соответствует пороговой чувствительности приемного устройства, включающего и приемную антенну.

Очевидно, что величина напряженности поля в точке приема зависит от параметров передающего устройства и трассы, а Åïîð определяется только параметрами приемного устройства. При изменении мощности передатчика кривая Å(t) смещается относительно уровня Åïîð. Если мощность передатчика будет такой, что Åïîð Å0,5 , то связь будет осуществляться только в течение 50 % времени связи и надежность такой связи составит 50 %. Для увеличения надежности связи до 90 % необходимо увеличивать мощность передатчика так, чтобы против уровня Åïîð пришелся уровень Å0,9.

Увеличение мощности передатчика в децибелах будет равно разности уровней Åìåä Å0,9, выраженной также в децибелах, поскольку изменение мощности передатчика и соответствующее изменение напряженности поля в точке приема выражаются в децибелах одним и тем же числом.

Зависимость вероятности превышения уровня от его значе- ния в относительных единицах называется функцией распределения случайной величины [1]. Обычно уровни сигнала определяют в относительных единицах по отношению к медианному уровню и выражают в децибелах:

E0,9 20lg E0,9 .

E0,5

Таким образом, чтобы определить мощность передатчика, обеспечивающего требуемую надежность связи, необходимо знать функцию распределения напряженности поля и величи- ну мощности передатчика при вероятности связи 50 %.

Увеличение мощности передатчика является не единственным и далеко не оптимальным способом повышения надежности связи. Для борьбы с быстрыми замираниями и получе- ния более устойчивого сигнала используют также при¸м на две или четыре антенны. Их разносят в направлении, перпендикулярном трассе, на расстояние (70 100) . Принятые отдельными антеннами сигналы детектируют и затем складывают. Очевидно, чем больше расстояние между антеннами, тем больше некоррелированность замираний. Аналогичный эффект дает использование для передачи сообщений нескольких частот (разнесение по частоте).