§ 3.8. Распространение УКВ на большие расстояния в условиях сверхрефракции

При расстояниях, превышающих расстояние прямой видимости, напряженность поля УКВ резко убывает. На этих расстояниях распространение радиоволн происходит за счет их дифракции вокруг сферической поверхности Земли и рефракции в тропосфере.

Выше рассматривались различные случаи тропосферной рефракции; было отмечено, что при сверхрефракции дальность распространения УКВ резко увеличивается.

Тропосферный волновод

Когда область сверхрефракции занимает значительные расстояния над земной поверхностью, УКВ могут быть приняты на весьма больших удалениях от передатчика. Распространение УКВ в этом случае происходит следующим образом. Излученная волна рефрагирует в тропосфере и снова возвращается на Землю, где происходит отражение. Таким образом, радиоволна распространяется путем последовательного чередования двух явлений: рефракции в тропосфере и отражения от земной поверхности. Это явление аналогично распространению радиоволн в металлическом волноводе, поэтому оно получило название распространения волн в условиях тропосферного волновода. В отличие от металлического волновода стенки тропосферного волновода полупрозрачны. От верхней стенки атмосферного волновода отражается только часть энергии волны, а часть, преломляясь, проходит за пределы волновода. Для тропосферного волновода определенной высоты по аналогии с металлическим волноводом имеется некоторая критическая длина волны λ_кр, длиннее которой волны быстро затухают и не распространяются. Критическая длина волны связана с высотой волновода соотношением

Высота тропосферных волноводов достигает нескольких десятков метров, следовательно, волноводное распространение возможно только для сантиметровых и дециметровых волн. Рис. 3.12 иллюстрирует распространение УКВ в условиях тропосферного волновода.

Рис. 3.12. Распространение УКВ в условиях тропосферного волновода

Слева изображен график изменения коэффициента преломления с высотой, а справа - соответствующая траектория волны. Начиная непосредственно от земной поверхности, создаются такие тропосферные условия, при которых коэффициент преломления убывает с высотой быстрее, чем в случае критической рефракции, и только на некоторой высоте рефракция становится нормальной. Уровень, до которого продолжается резкое убывание коэффициента преломления, является высотой волновода. В условиях волноводного распространения только наиболее пологие лучи отражаются от стенок волновода, а более крутые лучи просачиваются сквозь него. Если передатчик и приемник находятся в пределах волновода, то оказывается возможным прием УКВ на больших расстояниях. В противном случае дальность приема может даже уменьшиться. Возможность распространения УКВ в условиях волноводного канала была установлена теоретически советским ученым П. Е. Краснушкиным в 1943 г. Дальнейшее развитие теория тропосферного волновода получила в работах акад. В. А. Фока. Влияние волноводного канала на распространение УКВ неоднократно подвергалось тщательному исследованию. В результате экспериментов было выяснено, что тропосферные волноводы появляются нерегулярно и поэтому волноводное распространение УКВ не может обеспечить устойчивой связи на большие расстояния. Но это явление может служить причиной создания взаимных помех станциями, работающими в сантиметровом диапазоне волн и разнесенными на большие расстояния.

Кроме того, появление тропосферного волновода может явиться помехой для работы радиолокационных станций обнаружения самолетов. Самолет, находящийся выше тропосферного волновода, может быть не обнаружен, так как радиоволны отражаются от верхней стенки волновода.

Отражение радиоволн от высоких инверсионных слоев

Инверсионные слои, т. е. слои с резким изменением коэффициента преломления, наблюдаются и на высотах 1÷3 км. Инверсионные слои могут отражать радиоволны, но это отражение не является полным. Если бы коэффициент преломления менялся с высотой скачком (рис. 3.13,б, пунктирная линия), то отражение происходило бы, как на границе раздела двух диэлектриков (см. § 1.6).

Рис. 3.13. Распространение радиоволн путем отражения от высокого инверсионного слоя: а - схема линии связи; б - изменение коэффициента преломления тропосферы в высоком инверсионном слое

В действительности имеется некоторый плавный переход от одного значения коэффициента преломления к другому (см. рис. 3.13, б). Область перехода l называется толщиной слоя. Она колеблется от нескольких метров до 100 м. Перепад коэффициента преломления в слое составляет Δn ≈ 5·10^-5. В этих условиях коэффициент отражения имеет достаточную величину только для самых пологих лучей и при малой толщине слоя в масштабе длины волны. Поэтому достаточная интенсивность отражений наблюдается на метровых волнах. Сантиметровые и дециметровые волны отражаются слабее.

Путем отражения от высоких инверсионных слоев радиоволны могут распространяться на расстояния 200÷400 км. Регулярная связь за счет использования этого явления невозможна по тем же причинам, что и в случае тропосферного волновода.

При отражении от высоких инверсионных слоев происходит многолучевое распространение радиоволн. Могут приходить лучи, отразившиеся только от слоя, а также от слоя и поверхности Земли, например, как показано на рис. 13.13, а. Возможно появление нескольких слоев на разных высотах. В этом случае число лучей еще более увеличивается. Благодаря флуктуациям коэффициента преломления длины путей интерферирующих лучей непрерывно меняются, что приводит к быстрым колебаниям напряженности поля.