Радиоволн

Многолетние измерения напряженности поля Е ультракоротких радиоволн над ровной сферической поверхностью земли, проводившиеся в прошлом веке, показывали, что в 50 % времени года реальные значения напряженностей поля в точках А и В оказывались выше, чем рассчитанные по формуле (3.14) с приведенными антеннами H¹ и h¹. Ученые пришли к выводу, что причина этого − тропосферная рефракция, искривляющая траектории прямых и отраженных радиоволн.

Тропосферой называется нижняя часть земной атмосферы, примыкающая к границе раздела сред «воздух – земля». Верхние границы тропосферы соответствуют высоте приблизительно 17 км над экватором и 10 км − над полюсами. Точка перехода из тропосферы в стратосферу определяется по изменению знака градиента температуры воздуха: с началом стратосферы температура воздуха начинает расти.

В тропосфере в состав воздуха входят водяные пары Н₂О, процентное содержание которых максимально на границе раздела сред и начинает уменьшаться с увеличением высоты. Вода, как известно, имеет относительную диэлектрическую проницаемость ε¹ = 81, а воздух в чистом виде ε¹ ≈ 1, поэтому тропосферные слои воздуха характеризуются среднемедианными значениями в течение года, равными вблизи земли 1,00065, а на границе тропосферы −

1,0002. Эта неравномерность в распределении водяного пара на разных высотах как бы «расщепляет» тропосферу на слои с разными коэффициентами преломления света и радиоволн. При переходе из оптически более плотных нижних слоев в менее плотные верхние радиоволны искривляют свою траекторию. Это искривление и называется тропосферной рефракцией, оно может быть выпуклым по отношению к земной поверхности (положительная рефракция) и вогнутым (отрицательная). При положительной рефракции дальность радиосвязи на УКВ увеличивается, при отрицательной − уменьшается.

В 1933 г. европейские ученые J. Schellend, C. Burrous, E. Ferrel предложили упрощенный способ учета влияния тропосферной рефракции, заключающийся в том, что как прямой, так и отраженный лучи (см. рис. 3.2) распространяются по прямолинейной траектории, однако не над поверхностью реальной земли с радиусом R_З ≈ 6370 км, а над воображаемой поверхностью с эквивалентным радиусом земли R¹_З ≈ 8500 км.

Введение эквивалентного радиуса земного шара дает возможность уточнить формулу дальности прямой видимости (3.19)

, (3.24)

которая преобразуется в широко известную на практике формулу:

(3.25)

где коэффициент 4,12 имеет размерность .

Расчеты напряженности поля Е радиоволны, производимые по формуле (3.14) с приведенными высотами H¹ и h¹ и эквивалентным радиусом земли

R¹_з ≈ 8500 км, дают приемлемую для практики точность, по крайней мере, над равнинными участками земной поверхности, к которым можно отнести Западно-Сибирскую низменность.

Для расчета на сильно пересеченной местности и тем более − горной квадратичная формула (3.14) не применяется. В таких случаях пользуются экспериментальными, усредненными по многочисленным измерениям кривыми наземного затухания УКВ, учитывающими значительное количество поправок: прежде всего на рельеф местности, высоту реальных антенн, параметры почвы, потери энергии в фидерных устройствах при допустимых значениях К_стU, коэффициенты усиления реальных антенн.