Электромагнитное поле в земных и космических условиях
Параметры электромагнитного поля, излученного в свободное пространство. Область пространства, существенно влияющая на формирование поля в области приема. Поле низко расположенного излучателя в приближении плоской Земли. Классификация радиоволн.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | учебное пособие |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.09.2017 |
| Размер файла | 1,8 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
1. Электромагнитное поле в земных и космических условиях
1.1 Параметры электромагнитного поля, излученного в свободное пространство
Электромагнитное поле по мере распространения в свободном пространстве изменяется по амплитуде. Это изменение можно рассчитать, учитывая свойства источника сигнала и пространства между источником и приемником. Пусть источник электромагнитного поля излучает равномерно во все направления мощность Р1. Тогда среднее значение вектора Пойнтинга на расстоянии r от источника определится делением этой мощности на площадь сферы радиусом r
.
Если мощность излучается не равномерно, а так, что плотность потока мощности в выбранном направлении в D1 раз больше, то
, (5.1)
где D1 - коэффициент усиления или коэффициент направленного действия источника. Рассчитаем напряженность электрического поля в точке, находящейся на расстоянии r от источника.
;
; . (5.2)
В интересующей нас точке расположим приемник сигнала. Мощность сигнала, поступившего в приемник, равна произведению плотности потока мощности вблизи приемника на его эффективную площадь
. (5.3)
Эффективная площадь приемника равна самой площади, если он расположен перпендикулярно направлению распространения волны и фаза возбуждаемого в нем тока во всех точках одинакова. В реальном приемнике эти условия нарушаются тем сильнее, чем меньше длина волны. Эффективная площадь растет с ростом коэффициента направленного действия. Расчет показывает, что для расчета эффективной площади приемника достаточно длинны волны и коэффициента направленного действия, который зависит от размеров приемника.
. (5.4)
Подставим эффективную площадь в (5.3)
. (5.5)
Это формула идеальной радиосвязи (радиолинии первого типа), хорошо описывающая энергетические соотношения в радиолинии при отсутствии потерь.
В радиолинии второго типа тело облучается СВЧ мощностью и отражает сигнал, который принимается приемником. Если расстояние от передатчика до отражающего тела r1, то плотность потока мощности на нем
,
а мощность, отраженная телом
Pоп = Поп эфф,
где эфф - коэффициент пропорциональности, называемый эффективной площадью рассеяния (ЭПР). ЭПР зависит от формы, размеров, электрических свойств тела и его ориентации относительно направления распространения радиоволн. Считая, что действующая площадь приемной антенны определяется выражением (5.3), а расстояние от отражающего тела до приемника r2, для мощности на входе приемника получим:
. (5.6)
Если прием и передача проводятся в одном и том же месте, то r1 = r2 = r и вместо (5.6) получим:
(5.7)
Выражение (5.7) называют уравнением идеальной радиолокации (или радиолинии второго типа).
При проектировании систем приходится учитывать сведения о потерях при передаче электромагнитной энергии. Потерями передачи L называют отношение мощности на выходе передатчика к мощности на входе приемника:
L = P1/P2. (5.8)
Индексом «0» будем обозначать потери идеальной линии передачи. Для радиолинии первого типа (режим радиосвязи)
. (5.9)
Потери, не связанные со свойствами антенн и определяемые свойствами пространства, обозначают через L0 и называют потерями на расходимость.
. (5.10)
Для радиолинии второго типа (режим радиолокации), если прием и передача производятся в одном месте
. (5.11)
В реальных средах наряду с потерями на расходимость существуют и другие потери. Эти потери обычно описывают с помощью множителя ослабления V, который определяется как отношение электромагнитного поля при наличии (E) и в отсутствие (E0) потерь:
. (5.12)
Множитель ослабления используется, например, для описания влияния поверхности Земли на электромагнитное поле, распространяющееся вблизи этой поверхности, или для описания влияния поглощения в атмосфере на амплитуду сигнала.
1.2 Область пространства, существенно влияющая на формирование поля в области приема
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
Пусть на пути от источника сигнала к приемнику находится препятствие в виде непрозрачной для электромагнитного излучения плоскости с круглым отверстием, диаметром d, ось которого расположена на линии, соединяющей источник и приемник (см. рис. 5.1). Это препятствие вызовет ослабление мощности электромагнитного поля в районе приемника. Если постепенно увеличивать диаметр отверстия, то, начиная с некоторого значения, дальнейшее его увеличение не будет существенно изменять мощность поля в районе приемника. Это значение dmin называют диаметром области, существенно участвующей в передаче энергии поля.
Форму и размеры существенной области можно определить, воспользовавшись принципом Гюйгенса и понятием зон Френеля.
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
Согласно принципу Гюйгенса, поле в точке приема определяется суммарным действием вторичных источников, распределенных по воображаемой поверхности, замкнутой вокруг источника (А) или точки приема (В). Выберем поверхность раздела в виде бесконечной плоскости, перпендикулярной АВ и содержащей препятствие и полусферы бесконечного радиуса, описанной вокруг источника А. Поле от источников, расположенных на бесконечно удаленных участках поверхности бесконечно мало. Из-за расходимости оно уменьшается обратно пропорционально радиусу сферы. Поэтому суммарное поле будет формироваться источниками, расположенными на поверхности S0 (рис.5.2) на конечном расстоянии от точки В. Эту плоскость делят на зоны Френеля следующим образом. Пусть в точке А помещен источник излучения длинной волны . Сигнал принимается в некоторой точке В. Точка С1 выбрана таким образом, что в ней выполняется условие:
АС1В - АОВ = /2. (5.13)
Окружность радиусом ОС1 называют первой зоной Френеля. На поверхности S0 можно найти набор точек Сn, для которых выполняется равенство:
АСnВ - АCn-1В = /2. (5.14)
Кольцо с внутренним диаметром АСn-1 и внешним АСn называют n - ой зоной Френеля. Первая зона Френеля - кольцо с нулевым внутренним радиусом, то есть круг.
Пользуясь методом математической индукции несложно доказать, что
АСnВ = АВ + n/2, (5.15)
причем, это соотношение не зависит от местоположения точки О на прямой АВ.
Таким образом, при перемещении точки О от А до В точка Сn описывает кривую, для которой АСnВ = const. Эта фигура - эллипс с фокусами в точках А и В. Рассчитаем радиус эллипсоида СnO в том месте, в котором он максимален. Это будет при АО = ОВ = r. Воспользовавшись (5.15), получим:
ACn = CnB = (5.16)
Если расстояние между источником и приемником сигнала много меньше длинны волны, то слагаемым с 2 можно пренебречь и
. (5.17)
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
Радиус зоны Френеля пропорционален корню из ее номера. На рисунке 5.3 приведено изменение фазы вторичных источников в зависимости от расстояния от оси. В пределах одной зоны фазовый угол изменяется на . В первой зоне фазовый угол изменяется от 0 до , во второй от до 2 и так далее. В точке В (см. рис.5.2) излучение от всех источников складывается с учетом фазового угла. Поле от нечетных зон положительно, а от четных - отрицательно, и при увеличении диаметра отверстия в точке В амплитуда поля будет колебаться вокруг постоянного значения - поля в свободном пространстве при отсутствии преграды. На рис.5.3 построены тринадцать первых зон Френеля. Цифры на рисунке соответствуют номеру зоны. По мере увеличения номера зоны ее ширина уменьшается сначала сильно, а затем все меньше и меньше. Число вторичных источников, расположенных в зоне, а значит и излучаемая мощность пропорциональны площади кольца и расстоянию от источника. С ростом номера зоны эта мощность уменьшается сначала сильно, а затем все меньше и меньше. Таким образом, в формировании сигнала участвуют лишь зоны с малым номером. Считают, что область пространства, существенно влияющая на величину поля в точке приема, ограничена восемью первыми зонами Френеля. При этом амплитуда поля в точке В не будет отличаться от поля в свободном пространстве больше, чем на 16%. Максимальный радиус эллипсоида существенной области (см 5.17)
С8О =. (5.18)
Чем короче волна, тем меньше поперечные размеры существенного эллипсоида. Например, при длине волны 10м…10см, протяженности трассы 10км, радиус существенного эллипсоида составляет 160…16м.
Понятие существенной области широко используется при изучении условий распространения радиоволн у поверхности Земли. Если высота источника над поверхностью Земли такова, что часть существенной области затенена, то потери в линии передачи существенно возрастают.
1.3 Распространение земной волны
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
Земной называют волну, распространяющуюся между источником и приемником вблизи поверхности Земли. Поле земной волны можно считать результатом суперпозиции полей, созданных вторичными источниками в воздухе и Земле. Сферическая Земля - это препятствие, которое волна огибает при распространении за линию горизонта. Ослабление сигнала происходит за счет потерь и дифракции на поверхности земной сферы. Полное решение задачи дифракции получено Фоком в 1945 году и представляет собой разложение в бесконечный ряд по функциям Эйри. Расчеты по полученным формулам сложны, поэтому в инженерной практике используют различные упрощения.
При распространении электромагнитной волны от точки А до точки В возможны три случая ( рис 5.4).
1. Рассчитывается поле в освещенной зоне при высоко поднятых источнике и приемнике (точка В1). Существенная область не задевает поверхность Земли. В этом приближении обычно не учитывают сферичность Земли. Сигнал в точке В1 - результат интерференции прямой волны и волны, пришедшей в точку приема после отражения от поверхности Земли.
2. Существенная область частично перекрывается поверхностью Земли. Это область полутени (точка В2).
3. Отсутствует прямая видимость между источником и приемником (точка В3).
Можно посчитать, на каком расстоянии окажутся приемник и источник, если прямая, их соединяющая, будет касаться поверхности Земли. Это будет максимальное расстояние прямой видимости.
Rпр. max =AC + CB2.
; .
Подставив значение радиуса Земли, получим.
. (5.19)
При обычной высоте антенны, передающей или принимающей сигнал (несколько десятков метров), расстояние прямой видимости составляет несколько километров. Воспользовавшись расстоянием прямой видимости, варианты распространения земной волны можно описать так:
1. r < rпр.max - освещенная зона,
2. r ? rпр.max - зона полутени,
3. r > rпр.max - зона тени.
1.4 Поле высоко поднятого излучателя в освещенной зоне в приближении плоской Земли
Это поле можно определить как сумму двух полей. Поле появляется в точке В при прямом прохождении из точки А в точку В и после отражения в точке С. Если источник и приемник высоко подняты над поверхностью Земли, то существенный эллипсоид не задевает ее и волна из точки А в точку В проходит без дополнительных потерь:
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
, (5.20)
где r1 = AB.
Из точки А в точку В существует и другой путь по ломаной АСВ. При расчетах вместо ломаной рассматривают прямую АВ = АСВ, вводя фиктивный источник А. Тогда поле в точке В будет суммой полей двух источников А и А. Из-за волновых свойств электромагнитного излучения отражение происходит не в точке С, а в некоторой области вокруг нее. Определить размер области, влияющей на величину отраженного сигнала можно построив существенный эллипсоид при распространении сигнала от А к В. Пересечение эллипсоида с плоскостью Земли дает эллипс, параметры отражающей поверхности в котором влияют на процесс отражения.
Рассчитаем приближенно амплитуду отраженной волны, считая, что отражение происходит в точке.
, (5.21)
где r2 - расстояние между фиктивным источником и точкой В, а R - коэффициент отражения.
Два сигнала будут складываться в точке В с учетом фазы. Комплексная амплитуда поля в точке В будет:
, (5.22)
где - фазовый угол коэффициента отражения. При достаточно большом расстоянии между А и В r1 ? r2 = r. Такую замену можно произвести в выражении для амплитуды. Фаза будет определяться разностью этих расстояний и в ней проводить такую замену нельзя. Обозначим r2 - r1 = Дr и запишем приближенное выражение для комплексной амплитуды поля в точке В.
. (5.23)
Учет отражения приводит к возникновению множителя ослабления:
(5.24)
Модуль и фаза которого определяются из выражений (5.25) и (5.26).
. (5.25)
. (5.26)
При перемещении вдоль трассы или при изменении высот h1 и h2 изменяется фаза аргумента, стоящего под знаком косинуса и модуль множителя ослабления осциллирует. Величину V для высоко поднятого излучателя называют интерференционным множителем, поскольку он формируется сложением двух сигналов, разность фаз между которыми изменяется. Закономерности изменения интерференционного множителя при изменении расстояния между источником и приемником и при изменении высоты источника и приемника можно получить, если выразить Дr через эти величины, воспользовавшись рисунком 5.5.
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
r = r2 - r1. .
. .
Интерференционный множитель, а, следовательно, и амплитуда электрического вектора электромагнитного поля при изменении r, h1, h2 меняется немонотонно, достигая максимума V = 1+R при
,
где m - целое число, и минимума V = 1-R при
.
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
На рисунке 5.6 построена зависимость интерференционного множителя от расстояния между источником и приемником (рис.5.6а) и от высоты источника (рис. 5.6б). Коэффициент отражения принят равным 1. В обоих случаях при изменении аргумента величина V изменяется от 0 до 2. Если R меньше 1, то диапазон изменения интерференционного множителя уменьшается.
Учет сферичности Земли. Сферичность Земли приводит к тому, что увеличивается расходимость излучения, а вместо высот h1 и h2 в выражение для интерференционного множителя входят h1 и h2 (см.рис.5.7). Расчет показывает, что
; . (5.27)
Выпуклость земной поверхности приводит к заметному увеличению расходимости в отраженной волне. Для учета этого явления вводят коэффициент расходимости.
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
. (5.28)
Коэффициент расходимости можно выразить через приведенные высоты и длину радиолинии:
. (5.29)
Изменение напряженности поля в отраженной волне за счет расходимости пучка проводят путем умножения модуля коэффициента отражения на коэффициент расходимости.
Rсф = RDp. (5.30)
Тогда для интерференционного множителя получим:
. (5.31)
Полученное выражение пригодно для расчета поля излучателя, высоко поднятого над поверхностью Земли в условиях прямой видимости. Приближение можно использовать, если
. (5.32)
1.5 Поле низко расположенного излучателя в приближении плоской Земли
излучатель электромагнитный поле радиоволна
Если излучатель и приемник расположены низко над Землей, то разделить прямую и отраженную волну нельзя, однако влияние Земли по-прежнему описывают с помощью множителя ослабления, который записывается с помощью формулы Шулейкина - Ван-Дер-Поля как функция численного расстояния :
. (5.33)
Численное расстояние зависит от модуля комплексной диэлектрической проницаемости подстилающей поверхности и длины волны электромагнитного поля.
. (5.34)
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
При получении (5.33) предполагалось, что и приемник и источник находятся непосредственно на поверхности, h1 = h2 = 0. На рисунке (5.9) приводится графическая зависимость множителя ослабления от численного расстояния при различных параметрах подстилающей поверхности. Q = /(60 э). Кривая при Q = 0 соответствует хорошо проводящей поверхности.
Приближение Шулейкина - Ван-дер-Поля справедливо при r < 7103 1/3. На больших расстояниях и в области полутени работают только формулы Фока.
1.6 Поле в зоне полутени и тени
Для определения напряженности поля на значительном расстоянии от источника, когда модель плоской Земли неприменима, необходимо решать задачу о дифракции волн на поверхности шара. Задача усложняется еще и тем, что необходимо учитывать реальные параметры подстилающей поверхности. Множитель ослабления V2 в децибелах можно найти как сумму трех слагаемых
V2[дБ] = U1(x) + U2(y1) + U2(y2), (5.35)
где х - нормированное расстояние между источником и приемником, а у1 и у2 - нормированная высота источника и приемника электромагнитного излучения.
. . . (5.36)
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
Зависимость U1 и U2 от своих аргументов приведена на рис.5.10. Напряженность поля в зоне тени убывает с расстоянием по закону близкому к экспоненте, то есть гораздо быстрее, чем при распространении над плоской земной поверхностью. Она тем больше, чем длиннее волна, так как с увеличением длины волны уменьшается, во-первых, влияние препятствия и, во-вторых, поглощение волн Землей.
1.7 Классификация радиоволн
Электромагнитные волны используют для передачи информации и часто называют радиоволнами. Принято радиоволны разбивать на диапазоны. В таблице 5.1 приводится принятое разделение на диапазоны.
Таблица 5.1
|
Наименование диапазона волн |
Границы диапазона |
Области применения |
||
|
Мириаметровые; сверхдлинные (СДВ); очень низкие частоты (ОНЧ). |
От 100 до 10км |
От З до 30 кГц |
Радионавигация, радиотелеграфная связь, передача метеосводок |
|
|
Километровые; длин-ные (ДВ); низкие частоты (НЧ) |
От 10 до 1 км |
От 30 до 300 кГц |
Радиотелеграфная и радиотелефонная связь, радиовещание |
|
|
Гектометровые; средние частоты (СЧ); средние волны (СВ). |
От 1000 до 100м |
От 300 до 3000 кГц |
То же |
|
|
Декаметровые; короткие (КВ), высокие частоты ( ВЧ) |
От 100 До 10м |
От 3 до 30 МГц |
Радиовешание; радиотелеграфная, радиотелефонная и радиолюбительская связи, космическая радиосвязь и др. |
|
|
Дециметровые (ультракороткие, ультравысокие частоты) УВЧ |
От 100 до 10 см |
От 300 до 3000 МГц |
Телевидение, радиолокация, радиорелейная связь, космическая радиосвязь и др. |
|
|
Сантиметровые; сверхвысокие частоты (СВЧ) |
От 10 до 1 см |
ОтЗ до 30 ГГц |
Радиолокация, радиорелейная связь, астрорадионавигация и др. |
|
|
Миллиметровые (крайне высокие частоты) КВЧ |
От 10 до 1 мм |
От 30 до 300 ГГц |
Радиолокация и др. |
|
|
Децимиллиметровые; гипервысокие частоты (ГВЧ) |
От 1 до 0.1 мм |
От 300 До 3000 ГГц |
То же |
|
|
Инфракрасные и световые |
< 0.1 мм |
> 3000 ГГц |
Устройства управления, связь на оптическом излучении, волоконно-оптическая связь |
Радиосвязь и радиотехника развиваются с неуклонной тенденцией освоения все более высокочастотных диапазонов. Это связано с двумя факторами.
1. Высокоэффективные антенны, имеющие узкую диаграмму направленности, должны иметь размеры, существенно превышающие длину волны и чем выше частота, тем легче сделать антенну.
2. Диапазон частот модуляции составляет не более 1% от несущей, и чем выше несущая частота, тем большее число независимых каналов может быть создано.
1.8 Электромагнитные свойства поверхности и атмосферы Земли
Земной шар - это тело почти сферической формы. Радиус сферы - 6370 км. В большинстве радиолиний приемная и передающая антенны приподняты над поверхностью Земли на высоту существенно меньше радиуса Земли, а длина трассы радиосвязи колеблется от нескольких километров (телевещание и телесвязь) до нескольких тысяч километров (радиовещание и радиосвязь). В зависимости от длины трассы используются различные модели земной поверхности.
Электромагнитные свойства земной поверхности
Свойства земной поверхности в значительной степени определяют условия распространения электромагнитных волн. Все материальные среды, составляющие подстилающую поверхность, как правило, немагнитны, и их магнитную проницаемость с большой степенью точности можно считать равной единице. Диэлектрические свойства основных видов подстилающих поверхностей приведены в таблице 5.2
И диэлектрическая проницаемость, и проводимость изменяются в широких пределах. Воспользовавшись этими двумя величинами, можно получить комплексную диэлектрическую проницаемость
.
Вещественная часть этой величины пропорциональна суммарной плотности тока смещения и поляризационного тока, а мнимая часть характеризует токи проводимости.
На низких частотах основной вклад в диэлектрическую проницаемость дает мнимая часть и при > 0 все виды подстилающих поверхностей металлоподобны. При проведении оценочных расчетов на частотах ниже одного мегагерца земную поверхность можно считать идеально проводящей. С ростом частоты начинают сказываться потери, возникающие при отражении от земной поверхности.
Таблица 5.2
|
Вид среды |
Частота (МГц) |
Диэлектрическая проницаемость |
Электрическая проводимость (См/м) |
|
|
Морская вода |
Менее 3102 3 103 104 105 |
75 70 65 10 |
1 - 6 1 - 6 10 - 20 10 - 20 |
|
|
Пресная вода рек и озер |
Менее 3102 3 103 104 105 |
80 75 65 10 |
10-2 1 - 2 10 - 20 10 - 20 |
|
|
Влажная почва |
Менее 3102 3 103 104 |
20-30 20-30 10-20 |
210-2 - 0,3 0,5 - 1 1 - 3 |
|
|
Сухая почва |
Менее 3102 3 103 104 |
3-6 3-6 3-6 |
10-5 -210-2 10-2 -710-2 10-1 -210-1 |
|
|
Мерзлая почва |
Менее 3102 |
3 - 6 |
10-3 -10-2 |
|
|
Лед (Т = -10 0С) |
Менее 3102 3 103 104 |
4 - 5 3 - 5 3 -2 |
10-2 - 10-1 10-4 - 10-3 10-4 - 10-3 |
|
|
Лес |
Менее 3102 3 103 |
1,004 1,04 - 1,4 |
10-6 - 10-5 10-5 - 10-3 |
Электромагнитные свойства земной атмосферы
Атмосфера Земли состоит на 78% из азота, на 21% из кислорода. На долю других компонентов (углекислый газ, водяной пар, инертные газы) приходится всего один процент. Физические параметры атмосферы сильно зависят от высоты, поэтому атмосферу принято делить на нижнюю (тропосфера, до 15 км, и стратосфера, до 60 км) и верхнюю или ионосферу (свыше 60 км). Физические процессов в нижней части атмосферы определяются интенсивным теплообменом и переносом больших воздушных масс. Ионосфера подвергается интенсивному облучению Солнца и других космических источников. Атмосфера удерживается за счет гравитационного поля Земли.
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
Давление на уровне мирового океана составляет примерно 0,1 МПа. В нижней части атмосферы давление падает с высотой практически линейно со скоростью 12 кПа/км. В ионосфере давление падает быстрее и закон его изменения приближается к экспоненциальному.
Температура атмосферы также изменяется с высотой (рис.5.11). У поверхности Земли температура в среднем приближается к 300К. В нижней части атмосферы она падает и в нижней части ионосферы составляет 200К. В ионосфере температура снова растет и на высоте 1200 км достигает 1200К.
Концентрация молекул газа Nm (см. рис. 5.11) может быть рассчитана, если известно давление и температура
,
где k = 1,3810-23Дж/К - постоянная Больцмана. Число частиц у поверхности Земли составляет 2, 411025 м-3.
В ионосфере под действием интенсивного облучения происходит диссоциация молекул и ионизация атомов. Параллельно с этим идет обратный процесс объединения ионов в молекулы и рекомбинация. В результате устанавливается равновесие и концентрация электронов и ионов стабилизируется. Степень ионизации зависит от интенсивности ионизирующего излучения, поэтому она изменяется с высотой.
Важный параметр ионизированного газа - концентрация свободных электронов. Она различна днем и ночью, поскольку в разное время суток количество подводимой к ионосфере энергии различно. Зависимость числа электронов с высотой неоднородна. Те области, в которых плотность электронов примерно постоянна, называются слоями.
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
Известны четыре наблюдаемых более или менее регулярно слоя: D, E, F1, F2 (рис.5.12). Слои E и F2 непрерывны и наблюдаются над всем земным шаром, а слои D и F1 регулярно появляются лишь в определенное время суток и года. Кроме того, в слоях E и F2 время от времени появляются облака с повышенной концентрацией электронов.
Слой D расположен на высоте 60 - 90 км. Средняя концентрация электронов в нем - 109 м-3. Слой D ночью пропадает.
Слой Е расположен на высоте 120 - 130 км. Концентрация электронов в нем составляет днем 21011 м-3, а ночью 5109 м-3. Нижняя граница северных сияний находится в слое Е.
Слой F расположен на высоте 200 - 500 км. В этом слое наблюдается наибольшая концентрация электронов. Слой F1 формируется только летом в дневные часы на высоте 200 - 220. Концентрация электронов в нем составляет 21011 - 51011 м-3. Максимального значения 21012м-3 концентрация достигает в слое F2. Затем она плавно уменьшается с высотой. На высоте 2000 - 3000км атмосфера заканчивается.
Ионизация верхней атмосферы в сильной степени определяется состоянием Солнца. Степень ионизации изменяется со временем суток, с сезоном и фазой цикла солнечной активности. Сильное влияние на состояние ионосферы оказывает бомбардировка ее частицами солнечного происхождения, вызывающая магнитные бури и полярное сияние.
Существует международная служба, занимающаяся прогнозом состояния ионосферы. Использование таких прогнозов позволяет значительно повысить надежность работы радиосвязи в земных условиях.
Земное электричество и магнетизм
Магнитное поле Земли описывают с помощью вектора напряженности магнитного поля . Числовые значения модуля этого вектора обычно приводятся в эрстедах. (1Э = 103/4 А/м) или гаммах (1 = 10-5Э). Проекции вектора образуют горизонтальную и вертикальную Hв = Hz составляющую. Географическое распределение постоянного магнитного поля соответствует полю однородно намагниченной сферы с координатами полюсов: северного (в южном полушарии) = 710,2; = 1500,8 и южного (с северном полушарии) = 700,5; = 2640. Линия, соединяющая магнитные полюса смещена относительно центра Земли в сторону Тихого океана. Полный вектор напряженности поля меняется от 0.62 до -0.73 Э. Вертикальная и горизонтальная составляющие различны. Вертикальная изменяется от 0.62 до -0.73Э, а горизонтальная в пределах 0.47Э. Напряженность магнитного поля на магнитном экваторе 0,35Э, а на магнитном полюсе 0,65Э.
Магнитный момент земного шара составляет 8,31028 Ам. Среднее значение элементов геомагнитного поля изменяется со временем. В настоящее время магнитный момент Земли уменьшается примерно на 710-2 %/год.
Корпускулярное излучение Солнца вызывает колебание магнитного поля Земли - магнитные бури, которые начинаются одновременно на всем земном шаре. Поле изменяется на несколько процентов за время от нескольких часов до нескольких суток.
Кроме того земной шар имеет отрицательный электрический заряд Q = - 5,7105К, что вызывает средний вертикальный градиент электрического поля 130 В/м.
1.9 Влияние атмосферы на распространение электромагнитного поля
В различных частях атмосферы она по-разному влияет на распространение радиоволн.
В нижней части неоднородность атмосферы в основном связана с изменением показателя преломления с высотой. С ростом высоты уменьшается давление и число частиц в единице объема (см. рис.5.11). Это в свою очередь приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости атмосферы и ее показателя преломления. В пределах тропосферы показатель преломления мало отличается от единицы, поэтому в инженерных расчетах используют другую величину - индекс преломления N.
N = (n-1)106. (5.37)
Индекс преломления для тропосферы колеблется в пределах 250 - 450. При увеличении высоты от поверхности Земли в пределах нескольких километров индекс преломления падает практически линейно со скоростью
. (5.39)
В большинстве случаев можно не учитывать столь незначительное изменение показателя преломления. Однако случаются ситуации, когда необходимо знать точное значение угла, под которым приходят радиоволны. В этом случае не учет изменения индекса преломления приведет к ошибке.
Атмосфера вносит затухание. Эксперимент показывает, что на частотах ниже 1ГГц затухание в чистом воздухе пренебрежимо мало. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн лежат полосы поглощения кислорода и водяного пара и на некоторых частотах поглощение резко возрастает.
В ионосфере неоднородность связана с изменением концентрации электронов. Ионосфера, как и любой другой ионизированный газ в зависимости от плазменной круговой частоты, а значит и от концентрации электронов изменяет свою комплексную диэлектрическую проницаемость (см.3.56). Воспользуемся формулой для комплексной диэлектрической проницаемости (см.2.1.5) и запишем выражение для абсолютной диэлектрической проницаемости и электрической проводимости ионосферы.
,
где 0 - плазменная частота, которая рассчитывается по выражению (3.55)
Подставим в последнее выражение численные значения и найдем соотношение, связывающее плазменную частоту и концентрацию электронов.
. (5.40)
Если не учитывать столкновения, то выражение для диэлектрической проницаемости упростится
. (5.41)
Зная диэлектрическую проницаемость, найдем волновое число для плоских волн в ионосфере. Без учета столкновений (см.3.59)
. (5.42)
На низких частотах, пока f<f0 диэлектрическая проницаемость отрицательна, волновое число мнимое. На этих частотах электромагнитное поле отражается от плазменного слоя. При нормальном падении на ионосферу все волны с частотой ниже fmax = =13,4 МГц отражаются ионосферой. Ночью эта частота ниже.
Пусть электромагнитное поле падает на ионосферу под произвольным углом . В ионосфере появится преломленная волна, и угол преломления можно найти из закона Снеллиуса. Считая коэффициент преломления в нижней части атмосферы равным единице, получим:
(5.43)
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
Определим частоту, начиная с которой волны ни при каких обстоятельствах не отражаются атмосферой. Для этого максимально возможный угол падения должен быть меньше угла, при котором наступает полное отражение. На рис.5.13 источник электромагнитного поля находится в точке А. Максимально возможный угол падения на границу раздела с ионосферой будет достигнут тогда, когда излучение идет по касательной к поверхности Земли и попадает в точку В. В этом случае
Если найти ту наименьшую частоту, на которой еще существует полное отражение, то на всех частотах меньше найденной полное отражение возможно, а на тех, которые больше ее - невозможно. Эту частоту можно найти так:
; . (5.44)
При NЭ = 21012м-3, , RЗ = 6370 км, h = 400км получим fгр = 39,6МГц.
Таким образом, начиная с УКВ диапазона, электромагнитные волны проходят через атмосферу, не отражаясь.
Когда радиоволна падает на ионосферу, ее путь частично проходит через ионизированный газ, что приводит к следующим эффектам.
1. Ионосфера обладает конечной электрической проводимостью из-за столкновений электронов между собой и с нейтральными атомами. Из-за этого возникают потери. Если длина ионосферного участка трассы значительна, то затухание может достигать десятка децибел.
2. Ионосфера находится в магнитном поле Земли и при распространении электромагнитного поля в ней возникают все те эффекты, которые рассмотрены в разделе 4.5. Если электромагнитная волна имела линейную поляризацию, то плоскость поляризации поворачивается из-за эффекта Фарадея. Кроме того, за счет эффекта Коттона-Мутона волна приобретет эллиптическую поляризацию. Изменение поляризации плоских волн приводит к дополнительным потерям.
1.10 Особенности распространения радиоволн различных диапазонов
Распространение сверхдлинных волн
Частота колебаний для сверхдлинных волн не превышает 30 килогерц. В этом диапазоне любые природные среды хорошо отражают радиоволны, приближаясь по своим свойствам к проводнику. С другой стороны эти волны отражаются от самых нижних слоев ионосферы. Кроме того, расстояние от поверхности Земли до ионосферы сравнимо с длиной волны и анализ структуры поля нужно проводить с точки зрения волновой теории. Электромагнитные волны находятся в приземном сферическом волноводе и могут распространяться на очень большое расстояние. Из-за весьма большой длины волны они проникают под поверхность почвы и воды, что позволяет создавать системы подземной и подводной связи. Наряду с перечисленными свойствами сверхдлинные волны обладают рядом существенных недостатков. Это, во-первых, очень малое значение несущей частоты. Из-за этого сложно получить достаточную полосу модуляции. Во-вторых, для этих волн невозможно изготовить эффективную антенну. Известно, что размеры эффективной антенны должны быть порядка длины волны или больше ее. Сделать это для сверхдлинных волн невозможно. Перечисленные недостатки настолько существенны, что сверхдлинные волны используются крайне редко.
Распространение длинных волн
Частота длинных волн не на много больше, чем у сверхдлинных. Основные закономерности поведения электромагнитных волн сохраняются, но уменьшение длины волны ( = 10 - 1км) приводит к проявлению новых тенденций, которые полностью вступают в силу на более коротких волнах. Длина волны, особенно в конце диапазона, много меньше промежутка земная поверхность - ионосфера, и этот промежуток уже нельзя рассматривать как сферически волновод. С достаточной для практики точностью можно пользоваться не волновой теорией, а геометрической оптикой. В точку приема приходят две волны: земная, распространяющаяся по прямой между источником и приемником, и ионосферная, попадающая в точку приема после отражения от ионосферы. Длинные волны при отражении частично поглощаются, и подстилающую поверхность в этом диапазоне чаще всего нужно считать неидеальным металлом. Длина волны сравнима с характерными неровностями поверхности, что приводит к дополнительным потерям за счет дифракции.
Экспериментально определено, что при расчете параметров поля в точке приема для длинных волн по выражениям (5.2) или (5.23) в правой части нужно учитывать дополнительное ослабление:
, (5.45)
где r и подставляются в километрах. Если не учитывать эту поправку, то можно внести большую погрешность в расчет. Например, при расстоянии между приемником и источником r = 5000км и = 2км, VДВ = 0,005.
Основные области применения длинных волн - радиовещание и служебная телефония. Частотный диапазон для длинных волн составляет всего 270кГц. Это обстоятельство сильно ограничивает число радиоканалов, способных одновременно работать в длинноволновом диапазоне.
Распространение средних волн
В этом диапазоне длина волны еще короче и сравнима с неоднородностями в ионосфере. Условия распространения волн различны в дневное и ночное время. Днем существует D слой, но электронная плотность в нем такова, что средние волны проходят через него и отражаются от следующего Е слоя. В D слое волны претерпевают сильное ослабление, из-за чего днем ионосферная волна практически отсутствует. В дневное время средние волны распространяются как земные волны на сравнительно короткое расстояние порядка 1000 километров.
Ночью D слой исчезает и нет условий для ослабления ионосферной волны. Средние волны распространяются как ионосферные на несколько тысяч километров. Но здесь возникают свои трудности. В ионосфере существуют неоднородности электронной плотности. При широкой диаграмме направленности приемной антенны в точку приема приходит не одна волна, а несколько. Ионосферные слои нестабильны и неоднородны, и координаты точек отражения все время меняются, а значит, изменяются фазы волн, приходящих в точку приема. Эти сигналы складываются. Относительная разность фаз сигналов все время изменяется, следовательно, будет изменяться амплитуда суммарного сигнала. Возникают замирания. Чтобы это явление не влияло на качество принятого сигнала, используют системы автоматизированной регулировки усиления (АРУ). Иногда используют нескольких антенн, разнесенных в пространстве на несколько длин волн. В суммарном сигнале замирание значительно меньше, чем в одиночном.
Распространение коротких волн
Для этого диапазона интервал длин волн 100 -10 метров, что соответствует интервалу частот 3 - 30 МГц. Длина волны не слишком велика и удается создать антенны приемлемых габаритов с достаточно высокой направленностью. С другой стороны короткие волны, в особенности длинноволновая часть спектра, хорошо отражаются от ионосферы и волны хорошо распространяются, как ионосферные. Все это позволяет проводить эффективную связь на большие расстояния. Линии связи, как правило, используют коротковолновый диапазон.
Раздел 5
Размещено на http://www.allbest.ru/
120
Для связи в КВ диапазоне используют слои Е или F. При организации связи нужно учитывать, что в дневное время существует D слой. Проходя через него, короткие волны сильно поглощаются. Нужно либо согласиться с этими потерями, либо, контролируя параметры ионосферы, организовать связь так, чтобы волны отражались от D слоя.
Проектирование линий связи в коротковолновом диапазоне требует сведений о характере распределения электронной плотности в ионосфере применительно к конкретному времени суток и к известным географическим координатам точек размещения источника и приемника сигнала. При проектировании выбирается конкретный слой в ионосфере, который предполагается использовать как отражающий.
Пусть необходимо организовать связь на расстоянии ?, используя в качестве отражателя слой в ионосфере с концентрацией электронов NЭ, находящийся на высоте h. Геометрия задачи, рис.5.14, позволяет рассчитать угол , под которым необходимо направить электромагнитное поле на ионосферу и частоту, на которой следует проводить связь. Рассчитаем угол.
sin = 2h/?; = 900 - . (5.46)
Теперь определим максимальную частоту, которая еще будет отражаться от выбранного нами слоя (см. 5.44)
,
где f0 определяется концентрацией электронов в отражающем слое (см.5.40). Эта частота называется максимально применимой частотой (МПЧ). Все сигналы с более низкой частотой будут отражаться от выбранного слоя, а с более высокой частотой - проходить выбранный слой без отражения. Для устойчивости связи рабочую частоту выбирают процентов на двадцать ниже МПЧ.
Ионосферный механизм распространения коротких волн приводит к тому, что они не могут попасть в точки земной поверхности, находящиеся под точкой отражения. Участки вдоль трассы, в которых отсутствует сигнал, называют зонами молчания.
Короткие волны могут распространяться, отразившись несколько раз от Земли и ионосферы. Поэтому на коротких волнах возможна связь на большие расстояния.
Как и в среднечастотном диапазоне, и даже в большей степени, на коротких волнах наблюдаются замирания сигнала. Меры борьбы с этим явлением те же, что и в средневолновом диапазоне.
Распространение ультракоротких волн
Электромагнитные волны этого диапазона практически не отражаются от ионосферы, поэтому линии связи УКВ диапазона, как правило, работают на земных волнах в условиях прямой видимости.
Максимальное расстояние, на которое возможна связь, определяется высотой источника и приемника (см.5.19)
.
На самом деле это расстояние несколько больше, так как из-за градиента коэффициента преломления электромагнитное поле распространяется не по прямой линии, а слегка искривляется.
Вторая особенность в распространении УКВ у поверхности Земли - многолучевость при широкой диаграмме направленности источника и приемника. При расчете поля нужно пользоваться интерференционным множителем (5.24). Амплитуда сигнала на входе приемника будет зависеть от частоты и от высоты антенны над поверхностью Земли (см. рис.5.6). Чтобы бороться с интерференционными явлениями следует сужать диаграмму направленности приемной антенны.
Для дальней УКВ связи необходимы специальные условия, которые обеспечили бы отражение сигнала и последующую его передачу в точку приема. Чаще всего для этого используются искусственные спутники Земли или неоднородности в тропосфере или в нижних слоях ионосферы. Турбулентные неоднородности всегда присутствуют в нижней части атмосферы на высоте 10 - 20 километров, а в нижних слоях ионосферы на высоте 60 - 100 километров часто возникают следы от метеоритов. Это высоко ионизированные плазменные образования, имеющие высокую отражательную способность, но существующие всего несколько секунд.
Задачи и упражнения
5.1. Параметры морской воды = 75; э = 4См/м на частоте 100 МГц. Сравните степень выраженности процессов поляризации и электропроводности на этой частоте.
5.2. Определите частоту, на которой амплитуда тока смещения и тока проводимости будут одинаковы
В сухой траве э = 0.001См/м, = 4;
в морской воде э = 4106См/м, = 80;
5.3. Плоская волна распространяется в сухой почве с параметрами = 4, = 1, э = 0,001См/м. Определите постоянную распространения, постоянную затухания, волновое число, волновое сопротивление среды и фазовую скорость для частот:
f1 = 15кГц, f2 =1,5МГц, f3 = 0,15 ГГц.
Найдите расстояние, на котором амплитуда волны уменьшится в 106.
5.4. Провести те же расчеты для морской воды: = 80, = 1, э = 4См/м.
5.5. Найти отношение плотности тока смещения и тока проводимости для случаев, рассмотренных в 5.1, 5,2.
5.6. Рассчитать мощность и амплитуду напряженности электрического поля на расстоянии 2 километра от источника в свободном пространстве на частотах 10 и 100 мегагерц. Излучаемая источником мощность 1Вт. Коэффициент направленного действия источника и приемника одинаков D1 = D2 = sin, где - угол между прямой, соединяющей приемник и источник, и выбранным направлением. Как изменятся эти величины, если на месте приемника установить отражатель с коэффициентом отражения 0,9, а сигнал принимать в том же месте, в котором расположен источник.
5.7. Рассчитать площадь первых восьми зон Френеля на расстоянии 500м от источника электромагнитных волн, для двух частот излучения 10Мгц и 100Мгц. Каков размер существенной для передачи сигнала области на половине расстояния между источником и приемником?
5.8. На частоте 100 мегагерц ведется связь на расстоянии 1км. Сигнал принимается двумя приемниками, расположенными один за другим. На каком расстоянии нужно расположить приемники для того, чтобы фаза сигнала у них отличалась на 1800. Рассчитайте амплитуду множителя ослабления в обоих случаях в приближении плоской Земли. Источник находится на высоте 50м, а приемник на высоте 10м. Как изменится амплитуда сигнала, если считать Землю сферой радиусом 6370 км.
5.9. Связь с внеземным объектом производится под углом 450 к горизонту. Определите, на какой минимальной частоте еще возможна связь, если максимальная плотность ионосферы составляет 21012м-3.
5.10. Связь с внеземным объектом производится на экваторе под углом 600 к горизонту в направлении север/юг на частоте 50 мегагерц. Электромагнитное поле линейно поляризовано. Электрический вектор расположен в плоскости, перпендикулярной поверхности Земли. Определите, как изменится поляризация волн после похождения ионосферы. При расчете использовать упрощенную модель ионосферы в виде слоя, расположенного на высоте от100 до 1000км с электронной плотностью 1012м-3. Магнитное поле Земли на экваторе 0,35Э. 1Э = 103/4 А/м.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Макроскопическое электромагнитное поле в сплошных неподвижных средах. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме. Энергия электромагнитного поля и теорема Пойнтинга. Применение метода комплексных амплитуд. Волновой характер электромагнитного поля.
реферат [272,7 K], добавлен 19.01.2011Концептуальное развитие основных физических воззрений на структуру и свойства электромагнитного поля в классической электродинамике. Системы полевых уравнений. Волновой пакет плоской линейно поляризованной электрической волны. Электромагнитные поля.
статья [148,1 K], добавлен 24.11.2008Основные параметры электромагнитного поля и механизмы его воздействия на человека. Методы измерения параметров электромагнитного поля. Индукция магнитного поля. Разработка технических требований к прибору. Датчик напряженности электромагнитного поля.
курсовая работа [780,2 K], добавлен 15.12.2011Появление вихревого электрического поля - следствие переменного магнитного поля. Магнитное поле как следствие переменного электрического поля. Природа электромагнитного поля, способ его существования и конкретные проявления - радиоволны, свет, гамма-лучи.
презентация [779,8 K], добавлен 25.07.2015Общие характеристики, энергия и масса электромагнитного поля. Закон электромагнитной индукции в дифференциальной форме. Дивергенция плотности тока проводимости. Уравнения электромагнитного поля в интегральной форме. Сущность теоремы Умова-Пойнтинга.
презентация [326,8 K], добавлен 29.10.2013Анализ квантовой теории полей. Способ получения уравнения Клейна-Гордона-Фока для электромагнитного поля и его классическое решение, учитывающее соответствующие особенности. Процедура квантования (переход к частичной интерпретации электромагнитного поля).
доклад [318,7 K], добавлен 06.12.2012Системы полевых уравнений. Основная и отличительная особенность уравнений систем (2)-(4). Реальное электромагнитное поле. Волновой пакет плоской линейно поляризованной электрической волны. Реальное существование чисто магнитной поперечной волны.
статья [129,5 K], добавлен 21.09.2008Магнитное поле Земли и его характеристики. Понятие геомагнитных возмущений и их краткая характеристика. Механизм возмущения магнитного поля Земли. Влияние ядерных взрывов на магнитное поле. Механизм влияния различных факторов на геомагнитное поле Земли.
контрольная работа [30,6 K], добавлен 07.12.2011Магнитное поле — составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Магнитные свойства веществ. Условия создания и проявление магнитного поля. Закон Ампера и единицы измерения магнитного поля.
презентация [293,1 K], добавлен 16.11.2011Аанализ характеристик распространения электромагнитного поля с векторными компонентами электрической и магнитной напряженности, как составляющих единого электродинамического поля в виде плоских волн в однородных изотропных материальных средах.
реферат [121,1 K], добавлен 16.02.2008Свойства монохроматического электромагнитного поля. Нахождение токов на верхней стенке волновода. Определение диапазона частот, в котором поле является волной, бегущей вдоль оси. Нахождение комплексных амплитуд векторов с помощью уравнения Максвелла.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 20.12.2012История открытия магнитного поля. Источники магнитного поля, понятие вектора магнитной индукции. Правило левой руки как метод определения направления силы Ампера. Межпланетное магнитное поле, магнитное поле Земли. Действие магнитного поля на ток.
презентация [3,9 M], добавлен 22.04.2010Геомагнитное поле земли. Причины возникновения магнитных аномалий. Направление вектора напряженности земли. Техногенные и антропогенные поля. Распределение магнитного поля вблизи воздушных ЛЭП. Влияние магнитных полей на растительный и животный мир.
курсовая работа [326,4 K], добавлен 19.09.2012Полевая концепция природы электричества является фундаментальной основой классической электродинамики. Поле электромагнитного векторного потенциала как физическая величина. Полевой эквивалент локальных характеристик микрочастицы. Электромагнитные поля.
реферат [70,5 K], добавлен 17.02.2008Приборы для измерения электромагнитного поля. Измерительные приемники и измерители напряженности поля. Требования к проведению контроля уровней ЭМП, создаваемых подвижными станциями сухопутной радиосвязи, включая абонентские терминалы спутниковой связи.
дипломная работа [613,2 K], добавлен 19.01.2015Анализ физико-математических принципов аксиоматического построения первичных уравнений электромагнитного поля, физическое содержание которых представляет собой концептуально новый уровень развития полевой теории классического электромагнетизма.
статья [164,4 K], добавлен 22.11.2009История исследований физических процессов в квантовых структурах. Особенности взаимодействия электромагнитного поля с электронами. Правила отбора для внутризонных переходов в квантовых ямах. Собственные значения и собственные функции гамильтониана Рашбы.
дипломная работа [378,5 K], добавлен 24.03.2012Описание свойств электромагнитных полей математическими средствами. Дефект традиционной классической электродинамики. Базовые физические представления современной теории электромагнитного поля, концепция корпускулярно-полевого дуализма микрочастицы.
статья [225,0 K], добавлен 29.11.2011Изучение электростатического поля системы заряженных тел, расположенных вблизи проводящей плоскости. Определение емкости конденсатора на один метр длины. Описание зависимости потенциала и напряженности в электрическом поле, составление их графиков.
контрольная работа [313,2 K], добавлен 20.08.2015Изучение электромагнитного взаимодействия, свойств электрического заряда, электростатического поля. Расчет напряженности для системы распределенного и точечных зарядов. Анализ потока напряженности электрического поля. Теорема Гаусса в интегральной форме.
курсовая работа [99,5 K], добавлен 25.04.2010
