Распространение волн диапазонов СВЧ и КВЧ

Эти волны занимают полосу частот от 3 до 300 ГГц. Тут могут одновременно работать большое количество радиоэлектронных средств различного назначения без взаимных помех. Именно в этом диапазоне волн появляется принципиальная возможность для работы устройств, имеющих широкие полосы рабочих частот. Повышение рабочей (несущей) частоты радиосигнала позволяет увеличить информационную емкость
С ∆ω (где ∆ω – полоса частот, занимаемая радиосигналом) канала связи, т.е. фактически скорость передачи (приема) информации. Это, в свою очередь, дает возможность применять комбинированные виды модуляции радиосигнала (амплитудно-фазовую, импульсно-кодовую и т.п.), что существенно увеличивает скрытность, помехозащищенность радиоканала.[3,4].

Другим обстоятельством, диктующим потребность резкого повышения рабочей частоты, например, радиолокатора, является необходимость увеличения его разрешающей способности как по дальности, за счёт применения сложных широкополосных зондирующих сигналов, так и по угловым координатам. Разрешающая способность по угловым координатам зависит от ширины диаграммы направленности радиотехнического средства, которая определяется размером антенны и законом амплитудно-фазового распределения поля в её раскрыве. Вот почему сейчас интенсивно осваивается как диапазон СВЧ, так и диапазон КВЧ.

К особенностям диапазона СВЧ относятся [3,4]:

1. Широкополосность – наиболее ценное качество диапазона СВЧ. В трех диапазонах (N = 9...11) с полосой Δƒ = 300 ГГц можно передать за одно и то же время
в 104 раза больше информации, чем в пяти других диапазонах (N=4...8). Широкополосность позволяет применять помехоустойчивые частотную и фазовую модуляции, при которых уровень сигнала на выходе приемника в определенных пределах не зависит от уровня входного сигнала;

2. Хорошие условия для создания антенн, размеры которых на много превышают длину волны, в связи с чем данные антенны обладают остронаправленным излучением;

3. Беспрепятственное прохождение волн СВЧ через слои ионосферы, позволяющие осуществлять связь земных станций и с искусственными спутниками Земли (ИСЗ) и космическими аппаратами. При распространении волн СВЧ вблизи поверхности Земли их дифракция и рефракция малы;

4. Низкий уровень атмосферных и промышленных помех, отсутствие влияния на условия распространения волн времени суток и сезонов года

При работе радиосредств в сантиметровом, дециметровом и метровом диапазонах следует учитывать возможность рефракции радиоволн, поглощения и рассеяния их как ионосферой, так и тропосферой. Соответствующие формулы и графики были приведены ранее. Напомним, что явление сверхрефракции наблюдается чаще над морем, чем над сушей, в теплое время года. Кроме того, для радиосредств дециметрового и метрового диапазонов, работающих с линейно поляризованными сигналами на радиотрассах, проходящих через ионосферу, возможны поляризованные замирания сигналов, связанные с эффектом Фарадея, заключающимся в повороте плоскости поляризации радиоволн.

В последнее время все больший интерес проявляется к диапазону миллиметровых волн. Это обусловлено широкими возможностями применения этих волн в радиолокации, связи, радиометеорологии, радиоастрономии, при изучении природных ресурсов и т.д.

К особенностям миллиметровых радиоволн можно отнести следующее:

1. Возрастание с увеличением частоты волн их затухания из-за гидрометеоров и резонансного поглощения в газах тропосферы. Особенно этот эффект проявляется у миллиметровых волн (ММВ), интенсивно осваиваемых для целей связи. В диапазоне ММВ атмосфера имеет ряд окон прозрачности и пиков поглощения. Радиосвязь, как правило, осуществляется в окнах прозрачности.

Анализ кривых поглощения электромагнитных волн в тропосфере (см. рис. 6.10) показывает, что в миллиметровом диапазоне между частотами резонансного поглощения имеются участки спектра со сравнительно малыми коэффициентами поглощения. Эти участки принято называть «окнами прозрачности» тропосферы. Они расположены в окрестностях длин волн, указанных в табл.7.1

Таблица 7.1 – «Окна прозрачности» тропосферы

λ, мм	8,6	3,5	2,4	1,4
γ, дБ/км	0,07	0,42	0,45	1,0

Радиосредства различного назначения, работающие в районе этих «окон прозрачности» длин волн, весьма эффективно решают поставленные задачи.

Большее поглощение миллиметровых волн по сравнению с сантиметровыми приводит к снижению дальности связи, что требует повышения энергетического потенциала радиолинии для компенсации затухания.

2. Диапазон ММВ не перегружен, работающие в нем средства связи имеют хорошую электромагнитную совместимость (ЭМС) со средствами связи других диапазонов. Указанное правило нарушается, когда речь идет о распространении продольных ЭМВ (ПЭМВ), существующих в различных средах (плазма, вода, почва и т.д.). Эта волны обладают уникальными свойствами, к сожалению, недостаточно изученными и по сей день, хотя ПЭМВ в плазме (волны X. Альфвена) были известны уже в 20-х гг. прошлого века; [3, 4].

3. Повышенное затухание в пиках поглощения, позволяющее передавать информацию на СВЧ при низком уровне взаимных помех от различных служб и организовывать скрытую связь на небольших расстояниях вдоль поверхности Земли. Кроме того, частоты, соответствующие пикам поглощения в атмосфере, могут использоваться на космических линиях связи большой протяженности. В этом случае атмосфера выполняет роль заграждающего фильтра по отношению к помехам Земли.

4. ММВ лучше проникают сквозь туман, дым, дождь, пыль, чем волны видимого и инфракрасного диапазонов. Они с небольшим затуханием проходят через плазму, поэтому применяются для связи с ракетами, преодолевающими ионизированную атмосферу. На непрозрачном участке частот радиоволны ММВ полностью поглощаются и связь невозможна, хотя она вполне осуществима на этих же частотах между двумя космическими радиотехническими аппаратами, только канал связи будет в данном случае экранирован от наблюдения с Земли [3, 4];

5. Колебания (флуктуации) на приземных линиях связи ММВ амплитуд, фаз, направлений прихода волн, вызываемые их рефракцией в атмосфере и ее неоднородностями, влиянием Земли, а также переотражением волн от поверхностей ИСЗ, самолетов и других объектов, на которых размещается аппаратура ММВ, проявление эффекта многолучевого распространения. На ММВ имеется заметный доплеровский сдвиг частоты.

Вплотную к этому диапазону примыкает инфракрасный диапазон электромагнитных волн, который также успешно используется для работы средств наведения, наблюдения и т.п. Отметим, что с переходом к оптическому диапазону волн коэффициент затухания уменьшается и атмосфера снова становится сравнительно
прозрачной.

Контрольные вопросы

1. Пояснить зависимость плотности свободных электронов от высоты Ни времени суток.

2. Роль слоя F ₂имеющего наибольшую электронную концентрацию?

3. От чего зависит преломление радиоволн в ионосфере?

4. Объяснить траектории радиолучей в ионосфере для различных длин волн.

5. Как выбирать рабочую частоту радиоэлектронного средства?

6. Каковы особенности распространения сверхдлинных и длинных волн?

7. Каковы особенности распространения декаметровых (коротких) волн?

8. Поясните образование зоны молчания.

9. Зачем составляют так называемое волновое расписание?

10. Каковы особенности распространениядиапазона СВЧ?

11. Каковы особенности распространениядиапазона КВЧ?

Литература

1. Бычков А. А. «Электромагнитные волны. Волноводы и объемные резонаторы», Лекции, ВМФ, 1987 г. – 72 с.

2. Бычков А. А. «Особенности распространения радиоволн различных диапазонов. Антенные устройства.» Лекции, часть 2, ВМФ, 1989 г. – 74 с.

3. Теория электромагнитного поля и техника сверхвысоких частот: учебник для ввузов/ Под редакцией Б.И. Штительмана. – Харьков, изд-во академии, 1974. – 494 с.

4. Нефедов Е. И. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: учебное пособие для студ. высш. учебн. заведений.–М.: Академия,2009.–377 с.

5. Нефедов Е. И. Техническая электродинамика: учебное пособие для студ. высш. учебн. заведений.– М.: Академия, 2009.–410 с.

6. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн / Ф.Б. Черный – М.: Сов. радио, 1972. – 464 с.

7. Бычков А.А. Особенности структуры электромагнитного поля и параметров волнового процесса в морском тропосферном волноводе / И.Л. Афонин, А.А. Бычков // Изв. высш. учеб. заведений. Радиоэлектроника. – 2004. – Т. 47. - № 2. – С. 58–65.

8. Леонидов В.И. Некоторые особенности формирования волноводных структур над морской поверхностью / В.И. Леонидов, Ф.В. Кивва., В.И. Алёхин // Научное приборостроение в миллиметровых и субмиллиметровых диапазонах радиоволн: Сб. научн. тр. – Харьков: Ин-т радиофизики и электроники АН Украины. – 1992. – С.73 – 80.

9. Саламатин В. В. Основы геометрической электродинамики волноводов прямоугольного сечения/ В. В. Саламатин, И. Л. Афонин, С. Н. Бердышев // учебное пособие для студ. высш. учебн. заведений. – Севастополь, изд. СевНТУ, 2008. – 218 с.

Оглавление

Условные обозначения. 3

Предисловие. 4

ЧАСТЬ 1. КРАТКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ. 4

Глава 1. Основные законы электромагнитного поля. 4

1.1. Физические величины, применяемые для описания электромагнитных явлений. Параметры и классификация сред. 6

1.2. Уравнения Максвелла в интегральной форме. 11

1.3. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме

(уравнения электродинамики) 13

1.4. Граничные условия для векторов электромагнитного поля. 19

1.5. Энергетические соотношения в электромагнитном поле. 23

Контрольные вопросы.. 25

Глава 2. Излучение электромагнитных волн
Поле элементарного электрического вибратора…………………26

2.1. Элементарные злучатели……………………………………........26

2.2. Электромагнитное поле излучения электрического. 28

2.3. Анализ поля элементарного электрического вибратора. 33

2.3.1. Ближняя (реактивная) зона. 34

2.3.2. Дальняя (волновая) зона или зона Фраунгофера. 36

2.4. Диаграмма направленности элементарного электрического вибратора. 40

Контрольные вопросы.. 44

Глава 3. Плоские электромагнитные волныв однородных
и неоднородных средах. 45

3.1. Распространение электромагнитных волн в идеальном

диэлектрике. 45

3.2. Параметры волнового процесса. 50

3.3. Распространение электромагнитных волнв среде с потерями. 51

3.3.1. Классификация сред по величине проводимости. 52

3.3.2. Электромагнитные волны в среде с потерями. 53

3.4. Поляризация плоских волн. 55

3.4.1. Линейная поляризация. 56

3.4.2. Круговая поляризация. 58

3.4.3. Эллиптическая поляризация. 60

3.5. Плоские электромагнитные волны в неоднородных средах. 61

3.5.1. Законы отражения и преломления (законы Снеллиуса) 61

3.5.2. Коэффициенты отражения и преломления (коэффициенты Френеля) 63

3.5.3. Наклонное падение ЭМВ на поверхностьидеального проводника 65

3.5.4. Глубина проникновения электромагнитного поля
в проводящую среду. 66

3.5.5. Логарифмические единицы ослабления........................... 67

Контрольные вопросы.. 68

Глава 4. Электромагнитные волны в волноводах. 69

4.1. Краткие сведения о направляющих системах СВЧ-энергии. 69

4.2. Классификация направляемых волн. 71

4.3. Прямоугольный волновод. 73

4.4. Диаграмма типов волн в прямоугольном волноводе. Выбор поперечных размеров 76

4.5. Структура поля основной волны Н₁₀ 78

4.6. Структура поверхностных токов в прямоугольном волноводе, излучающие и неизлучающие щели 81

4.7. Отражательная трактовка распространения волн в волноводе. Фазовая и групповая скорости в волноводе 83

Контрольные вопросы.. 85

ЧАСТЬ 2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН.. 86

Глава 5. Общие вопросы распространениярадиоволн. 86

5.1. Классификация радиоволн по диапазонам и способу
распространения. 87

5.2. Влияние подстилающей поверхности на распространение радиоволн. 95

5.2.1. Влияние электрических параметров подстилающей поверхности на распространение радиоволн 95

5.2.2. Влияние рельефа и формы подстилающей поверхности

на распространение радиоволн. 97

Контрольные вопросы.. 104

Глава 6. Влияние тропосферы на распространение
радиоволн. 105

6.1. Влияние тропосферы на распространение радиоволн. 105

6.1.1. Рефракция радиоволн в тропосфере. 106

6.1.2. Морские тропосферные волноводы.. 112

6.1.3. Рассеяние радиоволн в тропосфере (эффект дальнего тропосферного рассеяния) 118

6.1.4. Поглощение радиоволн в тропосфере.

Рассеяние радиоволн гидрометеорами. 118

Контрольные вопросы.. 121

Глава 7. Влияние ионосферы на распространение радиоволн. Особенности распространения радиоволн различных
диапазонов................................................................................................................................. 122

7.1. Влияние ионосферы на распространение радиоволн. 122

7.2. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов. 128

7.2.1. Распространение сверхдлинных, длинных и средних
волн. 128

7.2.2. Распространение декаметровых (коротких) волн. 131

7.2.3. Распространение волн диапазонов СВЧ и КВЧ.. 136

Контрольные вопросы.. 139

Литература. 140

Анатолий АлександровичБЫЧКОВ,

кандидат технических наук, доцент

Учебное издание

Электродинамика

и распространение радиоволн