Материал: 751

Эллипсоид существенной области тем больше вытянут, чем меньше длина радиоволны . При 0 эллипсоид превращается в линию, соединяющую источник и точку наблюдения, называемую лучом. Так, в оптике существует раздел геометри- ческая оптика, в которой волны заменяют лучами. В общем случае такая замена справедлива и для радиоволн других диапазонов, но только при отсутствии препятствий с конечными размерами. При падении волны на тело с конечными размерами геометрическая оптика дает принципиально неверные результаты. Например, полное отсутствие поля в области тени (за препятствием). Заметим, что подход, основанный на принципе Кирхгофа и зонах Френеля, называется физической или волновой оптикой.

Применим полученные результаты к рассмотрению вопроса о дифракции радиоволн. Рассмотрим два вида препятствий: непрозрачный экран с круглым отверстием и непрозрачную полуплоскость.

Пусть на пути радиоволны расположен экран с отверстием, центр которого совпадает с линией ÀÂ (ðèñ. 1.6).

Рис. 1.6. Дифракция радиоволн на круглом отверстии в плоском экране

Для расчета поля в точке наблюдения применим формулу Кирхгофа (1.13). Пусть в качестве передающей антенны используется точечный ненаправленный (изотропный) излуча- тель, поле которого можно представить как

Если радиус отверстия плавно увеличивать от õ0 0, то напряженность поля за экраном в точке приема Â будет возрастать и достигнет максимума при õ0 R1, ò. å. ïðè õ0, равном радиусу первой зоны Френеля. В дальнейшем изменение величины напряженности поля носит осциллирующий характер: возрастает при õ0, равном радиусу нечетной зоны Френеля, и уменьшается при õ0, равном радиусу четной зоны. Причем с увеличением номера зоны амплитуда осцилляций уменьшается и напряженность поля стремится к величине поля в свободном пространстве. Значения максимумов и минимумов функции соответствуют открытым нечетным и четным зонам Френеля. Если закрыть все четные зоны специальным экраном и оставить открытыми только нечетные зоны — получим зонную пластинку. Она будет действовать как собирающая линза, поскольку волны от нечетных зон приходят в фазе в точку наблюдения.

Рассмотрим второй пример — дифракцию волны на краю непрозрачного экрана. Для упрощения вычислений ограничимся случаем, когда экран находится в дальней зоне источ- ника. В этом случае волну, падающую на экран, можно счи- тать плоской, т.е. S сonst, и формуле (1.24) можно придать вид [8]

Интегралы в (1.26) вычисляются после замены переменных

через специальные функции — интегралы Френеля.

Интегралы Френеля хорошо табулированы [9]. Результаты вычислений функции (u0) представлены на рис. 1.8.

При больших положительных õ0 (èëè u0) экран перекрывает линию ÀÂ и поле в точке Ð практически отсутствует. По мере опускания экрана поле монотонно возрастает. Когда экран достигает линии ÀÂ, поле составляет половину от поля при отсутствии экрана. При дальнейшем опускании экрана поле в точке Ð осциллирует. Глубина осцилляций здесь не так велика, как в случае круглого отверстия, так как основная площадь зон Френеля уже открыта.

Понятие зон Френеля широко используется на практике при распространении радиоволн при наличии каких-либо препятствий. Например, при расчете радиорелейных линий высоты подвеса антенн выбирают так, чтобы местные предметы на трассе (деревья, возвышенности, строения) не перекрывали существенной области распространения радиоволн, которая включает несколько первых зон Френеля. Дифракция на краю непрозрачного экрана является моделью распространения радиоволн в условиях гористой местности. Зонные пластинки используются на вершинах горных хребтов как ретрансляторы телевизионных сигналов. Радиолокационные станции, работающие на метровых волнах, используют отражение от Земли для формирования диаграммы направленности антенн. Определение размеров площадки, которую необходимо очистить около антенны, также проводят на основе понятия «зона Френеля» [3].

1.4. Классификация радиоволн по способу распространения

Âпредыдущих разделах мы рассчитывали величину поля радиоволн в свободном пространстве. Хотя реально такого пространства в природе не существует, однако космическому пространству, в первом приближении, можно приписать свойства однородной изотропной среды, т.е. свободного пространства. Можно считать, что распространение радиоволн в космосе происходит по прямолинейным траекториям и с постоянной скоростью.

Âбольшинстве случаев мы имеем дело с такими линиями радиосвязи, которые находятся в непосредственной близости от Земли. В этом случае нельзя пренебречь ни близостью Земли, ни влиянием окружающей е¸ атмосферы на процессы распространения радиоволн. Основными факторами, воздействующими в данном случае на распространение радиоволн, являются:

1) близость Земли и сферичность е¸ поверхности;

2) воздействие неоднородностей тропосферы — нижней, примыкающей к Земле части атмосферы. Е¸ высота составляет 10–15 км над уровнем земной поверхности;

3) влияние ионосферы — верхних ионизированных сло¸в атмосферы, расположенных в интервале высот от 60–80 км до 1000 км над поверхностью Земли.

Кратко рассмотрим влияние этих факторов. Влияние Земли в основном сводится к следующему. При распространении радиоволн вдоль линии связи имеет место отражение радиоволн от земной поверхности. В этом случае поле в точке приема Â над поверхностью Земли будет представлять собой интерференционную картину полей двух волн — прямой и отраженной от поверхности Земли (рис. 1.9).

При низко расположенных антеннах выделить по отдельности прямую и отраженную волны не представляется возможным, и волна распространяется вдоль поверхности Земли, испытывая при этом поглощение и некоторое изменение фазовой скорости.