§ 4.7. Поглощение радиоволн и нелинейные явления в ионизированном газе

Проследим частотную зависимость поглощения радиоволн в ионизированном газе. Для низких частот ω < ν, ε и γ не зависят от частоты. С другой стороны, для низких частот ε < 60γλ. Согласно (1.57) и (4.25), можно записать выражение для коэффициента поглощения α:

Поглощение в этом диапазоне частот возрастает с увеличением частоты.

Для высоких частот ω < ν, ε и γ зависят от частоты. В этом диапазоне частот выполняется условие ε >> 60γλ, ε ≈ 1. Согласно (1.56) и (4.23), коэффициент поглощения

Поглощение в этом диапазоне частот убывает с увеличением частоты. Следовательно, зависимость поглощения от частоты описывается кривой, имеющей максимум. Можно показать, что этот максимум находится в области частот ω, близких к ν (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Частотная зависимость коэффициента поглощения радиоволны в ионизированном газе при N_э = 10⁵ эл/см³, ν = 10⁵ с^-1

Физическая причина такой частотной зависимости поглощения радиоволн заключается в том, что в диапазоне частот ω < ν время свободного пробега электрона τ меньше периода колебаний Т. За время τ < Т электрон набирает малую часть энергии волны, и энергия волны передается нейтральным молекулам малыми порциями.

При ω > ν и τ > Т электрон успевает несколько раз переизлучить энергию, не передавая ее нейтральным молекулам. При частоте ω, близкой к ν, наблюдается явление резонанса и происходит наибольшее поглощение радиоволн. Для ионосферных слоев число столкновений ν = 10³ ÷10⁷ с^-1.

При ν = 10⁷ с^-1 условие ω = ν выполняется для волны длиной около 200 м. Поэтому в диапазоне коротких волн происходит уменьшение поглощения с повышением частоты, а в диапазоне волн длиннее 200 м поглощение увеличивается с повышением частоты.

Если напряженность электрического поля волны, проходящей в ионизированном газе, велика, то возможно проявление нелинейных свойств ионизированного газа.

Величина ν связана со скоростью движения электрона u и средней длиной пути, пройденного электроном между двумя последовательными столкновениями, соотношением

Полная скорость движения электрона складывается из скорости теплового движения u_т и скорости, приобретаемой под действием электрического поля проходящей волны u_Е, причем обычно u_т > u_Е:

где

Отсюда

Расчеты показывают [10], что в диапазоне длинных волн скорости движения электрона (тепловая и приобретаемая под действием поля проходящей волны) соизмеримы при E = 0,1÷2 мВ/м, на средних волнах - при E ≈ 2÷20 мВ/м. При больших значениях напряженности поля величина ν меняется пропорционально амплитуде поля волны. Следовательно, согласно (4.26), (4.27) поглощение изменяется в зависимости от величины напряженности поля волны - возникают нелинейные явления.

Нелинейные явления наблюдаются при передаче амплитудно-модулированных сигналов. Амплитуда напряженности электрического поля амплитудно-модулированного сигнала

Подставляя в (4.32) выражение (4.33), получаем

откуда видно, что ν меняется с частотой модуляции. С этой же частотой меняется проводимость ионизированного газа и коэффициент поглощения. Поглощение напряженности поля оказывается пропорциональным величине напряженности поля. Происходит демодуляция.