Волны УВЧ и СВЧ

Волны УВЧ и СВЧ

Волны УВЧ и СВЧ (1000... 10 ООО МГц) распространяются в основном в пределах прямой видимости и их прием сопровождается низким уровнем шумов. В этом диапазоне при распространении радиоволн играют роль известные области максимального поглощения и частоты излучения химических элементов (например, линии водорода около 1420 МГц).

Волны СВЧ (свыше 10 ГГц) распространяются только в пределах прямой видимости. Потери в этом диапазоне несколько выше, чем на более низких частотах, причем на их величину сильно влияет количество осадков. Рост потерь на этих частотах частично компенсируется возрастанием эффективности антенных систем.

Несмотря на то что исторически излучения оптического диапазона волн начали использоваться человечеством гораздо раньше, чем любые другие электромагнитные поля, распространение через атмосферу оптических волн гораздо менее изучено по сравнению с распространением любых волн радиодиапазона. Объясняется это более сложной картиной явлений распространения, а также и тем, что широкое изучение явлений, сопровождающих взаимодействие электромагнитных волн оптического диапазона с атмосферой, началось лишь в последнее время, после изобретения и начала широкого всестороннего применения оптических  квантовых генераторов — лазеров.

Три основные явления обусловливают закономерности распространения оптических волн через атмосферу: поглощение, рассеяние и турбулентность. Первые два определяют среднее затухание электромагнитного поля при фиксированных атмосферных условиях и сравнительно медленные изменения поля (медленные замирания) при изменении метеорологических условий.

Трепке явление — турбулентность — вызывает быстрые изменения поля (быстрые замирания), наблюдающиеся при любой погоде. Кроме этого, из-за турбулентности наблюдается эффект многолучевости, когда структура пришедшего на прием луча может существенно измениться по сравнению со структурой луча на выходе передающего устройства.

Распространение радиоволн разных диапазонов

Распространение радиоволн разных диапазонов

Радиоволны очень низких (3...30 кГц) и низких (30...300 кГц) частот огибают земную поверхность вследствие полноводного распространения и дифракции, сравнительно слабо проникают в ионосферу и мало поглощаются ею.

Отличаются высокой фазовой стабильностью и способностью равномерно покрывать большие площади, в том числе полярные районы. Это обусловливает возможность их использования для устойчивой дальней и сверхдальней радиосвязи и радионавигации, несмотря на высокий уровень атмосферных помех. Полоса частот 150...300 кГц используется для радиовещания. Трудности применения этого частотного диапазона связаны с громоздкостью антенных систем, высоким уровнем атмосферных помех, относительной ограниченностью скорости передачи информации.

Средние волны (300...3000 кГц) днем распространяются вдоль поверхности Земли (земная или прямая волна). Отраженная от ионосферы волна практически отсутствует, так как волны сильно поглощаются в слое D ионосферы. Ночью из-за отсутствия солнечного излучения слой D исчезает, появляется ионосферная волна, отраженная от слоя £, и дальность приема возрастает. Сложение прямой и отраженной волн влечет за собой сильную изменчивость поля, поэтому ионосферная волна — источник помех для многих служб, использующих распространение земной волны.

Короткие волны (3...30 МГц) слабо поглощаются слоями D и E и отражаются от слоя F, когда их частоты w < w0 max. В результате отражения от ионосферы возможна связь как на малых, так и на больших расстояниях при значительно меньшем уровне мощности передатчика и гораздо более простых антеннах, чем в низкочастотных диапазонах. Особенность радиосвязи в этом диапазоне — наличие замираний (фединга) сигнала из-за изменений условий отражения от ионосферы и интерференционных эффектов. Коротковолновые линии связи подвержены влиянию атмосферных помех. Ионосферные бури вызывают прерывание связи.

Для очень высоких частот и УКВ (30... 1000 МГц) преобладают распространение радиоволн внутри тропосферы и проникновение сквозь ионосферу. Роль земной волны падает. Поля помех в низкочастотной части этого диапазона все еще могут определяться отражениями от ионосферы, и до частоты 60 МГц ионосферное рассеяние продолжает играть значительную роль. Все виды распространения радиоволн, за исключением тропосферного рассеяния, позволяют передавать сигналы с шириной полосы частот в несколько мегагерц.

Распространение радиоволн в космических условиях

Распространение радиоволн в космических условиях

Оно имеет особенности за счет того, что из космического пространства к Земле приходит широкий спектр электромагнитных излучений, которые на пути должны пройти через ионосферу и тропосферу.

Через атмосферу Земли без заметного затухания распространяются волны двух основных частотных диапазонов: радиоокно соответствует диапазону от ионосферной критической частоты до частот сильного поглощения аэрозолями и газами атмосферы (10 МГц... 20 ГГц); оптическое окно охватывает диапазон видимого и ИК излучения (1... 103 ТГц).

Атмосфера также частично прозрачна в диапазоне низких частот до 300 кГц, где распространяются свистящие атмосферики и магнитогидродинамические волны.

Нелинейные эффекты при распространение радиоволн в ионосфере

Нелинейные эффекты при распространение радиоволн в ионосфере

Такие эффекты проявляются уже для радиоволн сравнительно небольшой интенсивности и связаны с нарушением линейной зависимости поляризации среды от электрического поля волны.

Нагревная нелинейность играет основную роль, когда характерные размеры возмущенной электрическим полем области плазмы во много раз больше длины свободного пробега электронов. Поскольку длина свободного пробега электронов в плазме значительна, электрон успевает получить от поля заметную энергию за время одного пробега. Передача энергии от электрона к ионам, атомам и молекулам при столкновениях затруднена из-за большого различия в их массах. В результате электроны плазмы сильно разогреваются уже в сравнительно слабом электрическом поле, что изменяет эффективную частоту соударений. Поэтому е и о плазмы становятся зависящими от напряженности электрического поля Е волны и распространение радиоволн приобретает нелинейный характер.

Нелинейные эффекты могут проявляться как самовоздействие волны и взаимодействие волн между собой. Самовоздействие мощной волны приводит к изменениям ее поглощения и глубины модуляции. Поглощение мощной радиоволны нелинейно зависит от ее амплитуды. Частота соударений v с увеличением температуры электронов может как расти (в нижних слоях, где основную роль играют соударения с нейтральными частицами), так и убывать (при соударении с ионами).

В первом случае поглощение резко возрастает с увеличением мощности волны (насыщение поля в плазме). Во втором случае поглощение падает (просветление плазмы для мощной радиоволны). Из-за нелинейного изменения поглощения амплитуда волны нелинейно зависит от амплитуды падающего поля, поэтому ее модуляция искажается (автомодуляция и демодуляция волны). Изменение v в поле мощной волны приводит к искажению траектории луча. При распространении узконаправленных пучков радиоволн это может привести к самофокусировке пучка аналогично самофокусировке света и к образованию волноводного канала в плазме.

Взаимодействие волн в условиях нелинейности приводит к нарушению принципа суперпозиции. В частности, если мощная волна с частотой w1 модулирована по амплитуде, то благодаря изменению поглощения эта модуляция может передаться другой волне с частотой w2, проходящей в той же области ионосферы. Это явление кросс-модуляции может содействовать перехвату сообщений, переносимых сигналом частоты w1.

Один из самых старых парков Москвы.

Влияние магнитного поля земли с напряженностью (H)

Влияние магнитного поля земли с напряженностью (H)

Траектория каждой заряженной частицы — винтовая линия с осью вдоль Н. Действие силы Лоренца приводит к изменению характера вынужденных колебаний электронов под действием электрического поля волны, а следовательно, к изменению электрических свойств среды. В результате электрические свойства ионосферы становятся зависимыми от направления распространения радиоволн и описываются не скалярной величиной, а тензором диэлектрической проницаемости.

Падающая на такую среду волна испытывает двойное лучепреломление, т.е. расщепляется на две волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. Для первой «необыкновенной» волны характер вынужденного движения электронов под действием поля волны изменяется (появляется компонента ускорения, перпендикулярная Е) и поэтому изменяется n. Для второй «обыкновенной» волны вынужденное движение остается таким же, как и без поля Н0.

Основная часть энергии низкочастотных (НЧ) и очень низкочастотных (ОНЧ) радиоволн практически не проникает в ионосферу. Волны отражаются от ее нижней границы (днем — вследствие сильной рефракции в Д-слое, ночью — от E-слоя, как от границы двух сред с разными электрическими свойствами). Распространение этих волн хорошо описывается моделью, согласно которой однородные и изотропные Земля и ионосфера образуют приземный волновод с резкими сферическими стенками. В этом волноводе и происходит распространение радиоволн.

Такая модель объясняет наблюдаемое убывание поля с расстоянием и возрастание амплитуды поля с высотой. Последнее связано со скольжением волн вдоль вогнутой поверхности волновода, приводящим к своеобразной фокусировке поля. Амплитуда радиоволн значительно возрастает в антиподной по отношению к источнику точке Земли. Это объясняется сложением радиоволн, огибающих Землю по всем направлениям и сходящихся на противоположной стороне.

Влияние магнитного поля Земли обусловливает рад особенностей распространения НЧ волн в ионосфере: сверхдлинные волны могут выходить из приземного волновода за пределы ионосферы, распространяясь вдоль силовых линий геомагнитного поля между сопряженными точками Земли.

Рефракция радиоволн в ионосфере

Рефракция радиоволн в ионосфере

В ионосфере могут распространяться только радиоволны с частотой w > w0. При w < w0 показатель преломления п становится чисто мнимым и электромагнитное поле экспоненциально убывает в глубь плазмы.

Радиоволна с частотой со, падающая на ионосферу вертикально, отражается от уровня, на котором w > w0 и n = 0. В нижней части ионосферы электронная концентрация и ш0 увеличиваются с высотой, поэтому с увеличением со излученная с Земли волна все глубже проникает в ионосферу. Максимальная частота радиоволны, которая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, называется критической частотой слоя:

Рефракция радиоволн в ионосфере

Этот эффект используется для дальней радиосвязи и загоризонтной радиолокации. Вследствие сферичности Земли величина угла  ограничена и дальность связи при однократном отражении от ионосферы не превосходит 3500 ...4000 км.

Связь на большие расстояния осуществляется за счет нескольких последовательных отражений от ионосферы и Земли (скачков). Возможны и более сложные волноводное траектории, возникающие за счет горизонтального градиента N или рассеяния на неоднородностях ионосферы при распространении радиоволн с частотой w > w max. В результате рассеяния угол падения луча на слой F2 оказывается больше, чем при обычном распространении. Луч испытывает ряд последовательных отражений от слоя F2, пока не попадет в область с таким градиентом N, который вызовет отражение части энергии назад к Земле.

Страница 1 из 212
Яндекс.Метрика