На распространение радиоволн

Рассмотрим влияние формы Земли, а точнее влияние неровностей подстилающей поверхности на процесс распространения радиоволн.

Говоря о неровностях на поверхности Земли (горы, холмы, строения, леса, морские волны и т.п.), необходимо учитывать соотношение между их геометрическими размерами и длиной волны (рис. 5.3, б), т. е. h и λ.

Если высота неровностей меньше длины волны h < λ, то поверхность можно считать гладкой. При падении волны на гладкую плоскую поверхность она отражается подобно световому лучу: угол падения равен углу отражения (раздел1, глава 3). Это так называемое зеркальное отражение радиоволн. На море такое отражение наблюдается при штиле (рис. 5.4, а).

Принято считать, что, если искажения фазы в фронте отражённой волны не превышают π/2, то волну можно считать плоской, а подстилающую поверхность – гладкой. Тогда максимальная высота неровностей, при которой отражение ещё можно считать зеркальным, определяется формулой, известной как критерий Релея

h≤ (5.5)

где ϴ – угол падения радиоволны на подстилающую поверхность, отсчитываемый от нормали.

Из формулы следует, что влияние неровностей уменьшается не только с их высотой, но и по мере приближения направления падения волны к «скользящему» при фиксированной длине радиоволны. С другой стороны, критерий Релея утверждает, что при заданной высоте неровностей подстилающей поверхности отражение радиоволн ближе к зеркальному как для полого падающих волн, так и более длинных. Поэтому для сверхдлинных, длинных и средних волн горы, леса, строения высотой в сотни метров не представляют собой препятствия, в то время как для сантиметровых волн штормящее море, небольшие кочки, кусты, и т. д. при h >> λ делают поверхность – "шероховатой". При этом радиоволны отражаются в различных направлениях, в том числе и в обратном направлении. Так, если море находится во взволнованном состоянии, то часть энергии радиоволн отражается назад, в сторону, например, РЛС, которая их излучила. При этом отражение радиоволн подчиняется более сложным законам и отраженный луч имеет, помимо зеркальной, еще и диффузную составляющую (рис. 5.4, б).

Отражения от моря затрудняют наблюдение за целями, создавая на экране радиолокационных станций дополнительные отметки (помехи).

Рисунок 5.4 – Отражение радиоволн от поверхности моря

Так на рисунке 5.5 наблюдаются яркие протяженные отметки от морских целей на фоне отраженных сигналов от взволнованной поверхности моря (высота волн 0,3 – 0,45 м, рабочая длина волны РЛС λ = 3, 2 см).

Рисунок5.5 – Вид экрана РЛС

Оценим влияние подстилающей поверхности на процесс распространения радиоволн при небольших расстояниях, когда поверхность можно считать плоской, а высоты антенн корреспондирующих пунктов h₁ и h₂>>λ, т.е. много больше рабочей длины волны радиосредства. В литературе этот случай известен как случай поднятых антенн.

Типичными примерами поднятых антенн являются антенны радиолокационных, радиорелейных станций, антенны радиовещательных УКВ ЧМ станций, телецентров и др.

В случае поднятых антенн строгое решение задачи о нахождении напряженности электромагнитных волн в точке приёма может быть значительно упрощено, если воспользоваться предположением академика Б. А. Введенского. Он показал, что поле в месте приёма есть результат интерференции прямого и отраженного лучей

(рис. 5.6)

Рисунок 5.6 – Пояснение к формуле Введенского

Опуская вывод самой формулы, которая приводится, например, в учебнике для вузов М. П. Долуханова «Распространение радиоволн» разных лет издания, приведем её:

[мВ/м], (5.6)

где Е – напряженность поля в точке приёма;

Р – мощность излучения передающей антенны;

D – коэффициент направленного действия передающей антенны;

_, – высоты антенн корреспондирующих пунктов;

r – расстояние между приемной и передающей антеннами.

Эта формула была получена впервые советским ученым будущим академикомБ. А. Введенским в 1928 году и носит его имя.

Формула имеет фундаментальное значение для расчетов УКВ радиолиний. Она характеризует зависимость напряженности поля в точке приёма от длины радиотрассы, высоты антенн и рабочей длины волны радиосредства. Из-за обратной пропорциональности результирующего поля квадрату расстояния формулу Введенского еще называют “квадратичной.“

Таким образом, в условиях применимости формулы Введенского при прочих равных условиях укорочение рабочей длины волны и увеличение высот приводит к росту результирующей напряженности поля в точке приема. Это связано с увеличением разности фаз, обусловленной разностью хода прямого и отраженного лучей. Поэтому формулу Введенского еще называют интерференционной.

Формула (5.6) получена для случая, когда подстилающую поверхность можно считать плоской, реальная же её форма близка к сферической. Выпуклость подстилающей поверхности изменяет длину пути отраженного луча (рис. 5.7), что приводит к дополнительному набегу фазы этой волны.

Рисунок 5.7 – К учету сферической формы поверхности Земли

Б.А. Введенский предложил учесть этот факт введением в формулу (5.6) приведенных высот. При таком рассмотрении разность хода лучей сохраняется и угол падения волны на подстилающую поверхность остаётся неизменным. Эти высоты определяются по известным значениям r, и R_з-радиуса Земли и имеют вид:

(5.7)