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.

Распространение радиоволн в ионосфере

Распространение радиоволн в ионосфере

Ионосферу образуют верхние слои земной атмосферы, в которой газы частично (до 1 %) ионизированы под влиянием ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярного солнечного излучения. Ионосфера электрически нейтральна, она содержит равное количество положительно и отрицательно заряженных частиц, т. е. является плазмой.

Достаточно большая ионизация, оказывающая влияние на распространение радиоволн, начинается на высоте 60 км (слой D).

В зависимости от частоты основную роль в распространении радиоволн играют те или другие виды собственных колебаний. Поэтому электрические свойства различны для разных участков радиодиапазона. При высоких частотах ионы не успевают следовать за изменениями поля, и в распространении радиоволн принимают участие только электроны. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы происходят в противофазе с действующей силой и вызывают поляризацию плазмы в сторону, противоположную электрическому полю волны Е.

Поглощение в ионосфере пропорционально v, так как чем больше столкновений, тем большая часть энергии, получаемой электроном, переходит в теплоту. Поэтому поглощение больше в нижних областях ионосферы (слой D), где выше плотность газа. С увеличением частоты поглощение уменьшается. Короткие волны испытывают слабое поглощение и могут распространяться на большие расстояния.

Поглощение радиоволн в тропосфере

Поглощение радиоволн в тропосфере

Поглощение радиоволн в тропосфере пренебрежимо мало для всех радиоволн вплоть до сантиметрового диапазона. Поглощение сантиметровых и более коротких волн резко увеличивается, когда частота колебаний совпадает с одной из собственных частот колебаний молекул атмосферных газов (резонансное поглощение).

Молекулы получают от приходящей волны энергию, которая превращается в теплоту и только частично передается вторичным волнам. Известен ряд линий резонансного поглощения в тропосфере: (поглощение в парах воды) и (поглощение в кислороде). Между резонансными линиями лежат области более слабого поглощения (окна прозрачности).

Ослабление радиоволн может быть также вызвано рассеянием на неоднородностях, возникающих при турбулентном движении воздушных масс. Рассеяние резко увеличивается, когда в воздухе присутствуют капельные неоднородности в виде дождя, снега, тумана. Почти изотропное рассеяние Рэлея на мелкомасштабных неоднородностях позволяет радиоволнам распространяться на расстояния, значительно превышающих прямую видимость. Таким образом, тропосфера существенно влияет на распространение УКВ.

Для декаметровых и более длинных волн тропосфера практически прозрачна, и на их распространение влияют земная поверхность И более высокие слои атмосферы (ионосфера).

Распространение радиоволн в тропосфере

Распространение радиоволн в тропосфере

Тропосфера — область, в которой температура воздуха обычно убывает с высотой h. Высота тропопаузы на земном шаре не одинакова: она больше над экватором, чем над полюсами, а в средних широтах, где существует система сильных западных ветров, меняется скачкообразно.

Тропосфера состоит из смеси газов и паров воды; ее проводимость для радиоволн пренебрежимо мала. Тропосфера обладает свойствами, близкими к вакууму, так что у поверхности Земли коэффициент преломления n = 1,0003 и фазовая скорость лишь немного меньше с.

С увеличением высоты плотность воздуха падает, поэтому n уменьшается, еще более приближаясь к 1. Это приводит к отклонению траекторий радиолучей к Земле. Такая нормальная тропосферная рефракция способствует распространение радиоволн за пределы прямой видимости, так как за счет рефракции волны могут огибать выпуклость Земли. Практически этот эффект может играть роль только для УКВ. Для более длинных волн преобладает отгибание выпуклости Земли за счет дифракции.

Метеорологические условия могут ослаблять или усиливать рефракцию по сравнению с нормальной, так как плотность воздуха зависит от давления, температуры и влажности. Обычно в тропосфере давление газов и температура с высотой уменьшаются, а парциальное давление водяного пара увеличивается. Однако при некоторых метеорологических условиях (например, при движении нагретого над сушей воздуха над морем) температура воздуха с высотой увеличивается (температурная инверсия). Особенно велики отклонения летом на высоте 2...3 км, когда часто образуются температурные инверсии и облачные слои. При этом преломление радиоволн в тропосфере может стать столь сильным, что вышедшая под небольшим углом к горизонту радиоволна на некоторой высоте изменит направление и вернется обратно к Земле. В пространстве, ограниченном снизу земной поверхностью, а сверху рефрагирующим слоем тропосферы, волна может распространяться на очень большие расстояния (волноводное распространение).

Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн

Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн

Оно зависит от относительного расположения передатчика и приемника. Распространение радиоволн — процесс, захватывающий большую область пространства, но наиболее существенную роль в распространении радиоволн играет область, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида рассеяния, в фокусах которого на расстоянии r расположены передатчик и приемник.

Если высоты h1 и h2, на которых расположены антенны передатчика и приемника над поверхностью Земли, велики, то земная поверхность не влияет на распространение радиоволн. При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы будет наблюдаться близкое к зеркальному отражение от поверхности Земли.

При этом радиоволна в точке приема определяется интерференцией прямой и отраженной волн. Интерференционные максимумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля в зоне приема. Особенно характерна такая картина для метровых и более коротких радиоволн. Качество радиосвязи в этом случае определяется проводимостью о почвы.

Например, для горизонтально поляризованных волн оно меньше, чем для волн, поляризованных вертикально. Когда неровности не малы и не пологи, энергия радиоволны может рассеиваться (радиоволна от них отражается). Высокие горы и холмы образуют затененные области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению волны из-за интерференции прямых и отраженных волн: вершина горы служит естественным ретранслятором.

Фазовая скорость радиоволн, распространяющихся вдоль земной поверхности (земных волн) вблизи излучателя, зависит от ее электрических свойств. Однако на некотором расстоянии от излучателя. Если радиоволны распространяются над электрически неоднородной поверхностью, например сначала над сушей, а затем над морем, то при пересечении береговой линии резко изменяются амплитуда и направление распространения радиоволн (наблюдается береговая рефракция).

Страница 30 из 39« Первая...1020...2829303132...Последняя »
Яндекс.Метрика