§ 2.2. Классификация случаев распространения земных радиоволн

Строгое решение задачи о нахождении напряженности электрического поля в некоторой точке над реальной земной поверхностью при произвольном расположении излучателей весьма сложно. Поэтому при теоретическом изучении и расчете распространения земных радиоволн строят некоторые упрощенные модели. Прежде всего полагают атмосферу однородной непоглощающей средой с ε = 1, γ = 0, а поверхность Земли считают гладкой и однородной. В формулы, полученные при этих допущениях, вносят необходимые поправки.

Пусть передающая и приемная антенны расположены в точках А и В₁, на высотах h₁ и h₂ над поверхностью Земли, представляющей собой гладкую сферу радиуса R₀; расстояние между антеннами равно r (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Влияния сферичности Земли на распространение радиоволн при поднятых антеннах

Область, существенно участвующая в распространении радиоволн, ограничена эллипсоидом вращения, сечение которого разно площади зоны Френеля небольшого номера [приближенно будем считать, что площади первой зоны Френеля (1.28)].

Из рис. 2.3 видно: если соотношение между величинами r, h₁ и h₂ таково, что первая зона Френеля не достигает выпуклости земной поверхности, то возможно прямолинейное распространение радиоволн между точками А и В₁. Если же первая зона Френеля охватывает выпуклость земной поверхности, как при распространении между точками А и В₂, то сферичность Земли является препятствием, за которое радиоволны распространяются путем дифракции, подобно тому как это происходит при помещении на пути распространения волны полуплоскости (см. § 1.3). Поле в этом случае оказывается сильно ослабленным, поскольку в распространении участвуют только часть первой зоны Френеля и зоны высших порядков, которые также искажены влиянием поверхности Земли. Для прямолинейного распространения, радиоволн необходимо, чтобы минимальный просвет между линией прямой видимости АВ₁ и поверхностью Земли был больше радиуса первой зоны Френеля (1.26).

Для ориентировочной оценки возможности беспрепятственного распространения радиоволн введено понятие "расстояние прямой видимости".

Расстоянием прямой видимости называется путь по прямой между передающей и приемной антеннами, при котором прямая линия, соединяющая эти антенны, касается земной поверхности. Из рис. 2.4 можно определить расстояние прямой видимости

где

Рис. 2.4. Определение расстояния прямой видимости

Следовательно,

Подставляя величину R₀ = 6370 км и выражая r₀ в километрах, а h₁ и h₂ в метрах, получим

Если протяженность трассы r < 0,2 r₀, то поверхность Земли можно считать плоской. При r < 0,8 r₀ первая зона Френеля не перекрывается выпуклостью земной поверхности. Область, лежащая на расстоянии 0,8 r₀ < r < 1,2 r₀, называется областью полутени (участок DE на рис. 2.4); при r > 1,2 r₀ начинается область тени (за точкой Е на рис. 2.4). В области тени и полутени радиоволны распространяются путем дифракции.

Когда антенны расположены непосредственно у поверхности Земли (h₁ = h₂ = 0), как это имеет место в диапазоне длинных и средних волн, понятие расстояния прямой видимости не имеет смысла. В этом случае (рис. 2.5) сегмент, ограниченный прямой АВ, является препятствием для прямолинейного распространения радиоволн. Пока высота h этого сегмента много меньше радиуса первой зоны Френеля:  
влияние сферичности Земли не учитывают. (Землю считают плоской). При увеличении расстояния высота h может стать соизмеримой с радиусом R₁ или больше R₁.

Рис. 2.5. Влияние сферичности Земли на распространение радиоволн при антеннах, расположенных на поверхности Земли (скан 024)

На графике рис. 2.6 сплошными толстыми линиями показаны зависимости радиуса первой зоны Френеля от расстояния и длины волны, а пунктирной линией - высота h сегмента при разных расстояниях. Следовательно, область расстояний и длин волн, лежащая правее пунктирной линии, относится к зоне глубокой тени. Условие h ≤ 0,1 R₁ выполняется для расстояний и длин волн, значения которых лежат левее тонкой сплошной линии. Поверхность Земли при низко расположенных антеннах можно считать плоской в метровом диапазоне волн для расстояния до 10÷20 км, на коротких волнах - до нескольких десятков километров, на средних и длинных волнах Землю также можно считать плоской.

Рис. 2.6. К определению области тени и области 'плоской Земли' при низко расположенных антеннах: ^___ радиусы R₁ первых зон Френеля; - - - высота h сегмента; h = 0,1 R₁