Глава 3. Распространение земной волны

3.1. Физические процессы при распространении земной волны. Классификация методов расчета поля земной волны

Определение поля излучателя, расположенного в атмосфере вбли­зи земной поверхности, с учетом реальных свойств Земли и атмосфе­ры представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Для облегчения ее решения вводят некоторые упрощения. Поверхность Земли счита­ют электрически однородной, сферической и идеально гладкой. Элек­трические параметры атмосферы (воздуха) принимают такими же, как и параметры свободного пространства.

Поле земной волны можно считать результатом суперпозиции полей, созданных вторичными источниками, которые возбуждены пер­вичным полем в воздухе и земле. Полупроводящие свойства Земли приводят к оттоку энергии волны из воздуха в почву. Сферическая зем­ная поверхность является препятствием, которое земная волна огиба­ет при распространении за линию горизонта. Процесс огибания - про­цесс дифракции радиоволн вдоль сферического препятствия приводит к дополнительным потерям по сравнению со случаем распростране­ния радиоволн над плоской поверхностью.

Полное решение задачи дифракции радиоволн для сферической идеально гладкой Земли с однородными электрическими параметра­ми и однородной атмосферы получено В. А. Фоком в 1945 г.

Для практических расчетов общее решение дифракционной за­дачи можно разделить на несколько частных. Критерием для примене­ния частных решений служат высота подъема антенн над поверхнос­тью Земли и длина радиолинии (расстояние от пункта передачи до пункта приема). Оба параметра определяют степень затенения земной поверхностью пространственных зон Френеля, а следова­тельно, и закон затухания поля в процессе дифракции.

В зависимости от высот расположения антенн различают два класса задач. К первому классу относят задачи, в которых высота подня­тия антенн h >>λ. Это так называемые высоко поднятые антенны, что на практике характерно при работе в диапазоне УКВ и с некоторыми ограничениями в диапазоне КВ. Второй класс задач рассматривает процесс дифракции радиоволн при низко расположенных антеннах, когда h намного меньше длины волны. Этот случай характерен для работы в диапазонах СВ и ДВ.

Вдоль пути распространения земной волны в зависимости от степени освещенности точки приема излучением передающей антен­ны выделяют три области (зоны): освещенную (I), полутени (II) и тени (III), как показано на рис. 1. Термин «освещенная зона» имеет пря­мой смысл только при высоко поднятых антеннах. При низко располо­женных антеннах область, прилегающую к передающей антенне, на­зывают зоной «приближения плоской Земли», поскольку в пределах этой зоны поверхность Земли можно считать плоской.

Наиболее просто рассчитывается напряженность поля в освещенной зоне при высоко поднятых антеннах, когда влияние Земли сводят к интерференции в точке приема прямой и отраженной волн. При низко расположенных антеннах на сравнительно небольших удалениях от излучателя упрощение расчетов достигается тем, что поверхность Земли считается плоской. В зонах полутени и тени расчет напряженности поля для обоих случаев (h >>λ и h << λ) ведется по общим дифракционным формулам.

При оценке условий распространения земной волны в случае h >>λ часто сравнивают длину радиолинии r с предельным расстоянием прямой видимости r_пр рис. 2. Высоты поднятия антенн h₁, h₂ << а_зм, а_зм = 6370 км – радиус Земли, поэтому величина а_зм ≈ АВ (рис. 2), откуда r_пр определяется как

.

Рис. 1 – Существующие области при распространении радиоволн

Рис. 2 – Графическая интерпретация расстояния прямой видимости

Если r_пр выразить в километрах, высоты антенн в метрах, то можно записать

При обычных высотах поднятия антенн (несколько десятков метров) предельное расстояние прямой видимости составляет несколько десятков километров (как правило, не более 50 … 60 км).

Таким образом, в случае h >>λ деление пути распространения земной волны на зоны производят следующим образом: r < г_пр - осве­щенная зона; r ≈ r_пр - зона полутени; r > r_пр - зона тени.