§ 4.8. Скорость распространения радиоволн в ионизированном газе

Диэлектрическая проницаемость ионизированного газа меньше единицы и зависит от частоты колебаний. Среды, в которых скорость распространения радиоволн зависит от частоты, называются диспергирующими. В диспергирующих средах различают фазовую и групповую скорости распространения радиоволн. Скорость, характеризующая быстроту перемещения фронта волны, называется фазовой. Фазовая скорость определяется формулой (1.45) или (для сред, приближающихся по своим свойствам к диэлектрику) (1.55). Поэтому для ионизированного газа без учета потерь согласно выражению (4.8)

Следовательно, каждой частоте соответствует своя фазовая скорость, и эта скорость больше скорости света.

Для того чтобы передать сигнал, необходимо создать некоторое возмущение - начало передачи синусоидальных колебаний, обрыв или импульс, т. е. передать некоторую группу волн (рис. 4.8).

Рис. 4.8. К определению групповой скорости распространения радиоволн

В недиспергирующей среде группа волн передается неискаженной. В диспергирующей среде каждая из частот спектра импульса передается со своей скоростью, и импульс в целом передается с другой скоростью. Для определения групповой скорости игр распространения волны в диспергирующей среде следует воспользоваться формулой, известной из курса "Электродинамика" [1]:

После вычисления дифференциала знаменателя

уравнение (4.36) упрощается:

Из сопоставления формул (4.35) и (4.37) видна зависимость между фазовой и групповой скоростями распространения волны в ионизированном газе:

Таким образом, в ионизированном газе сигнал распространяется со скоростью, меньшей скорости света.

В случае приближения рабочей частоты к собственной частоте ионизированного газа (ω → ω₀) групповая скорость уменьшается (υ_гр → 0), а фазовая скорость резко возрастает (υ_ф → ∞). В действительности благодаря потерям энергии волны в реальном ионизированном газе фазовая скорость достигает большой конечной величины.

Для передачи импульса необходимо передать некоторую полосу частот, ширина которой обратно пропорциональна длительности импульса. Каждая из групп гармоник импульса распространяется со своей групповой скоростью. Если импульс не очень короткий и спектр его не широк, то разница в групповых скоростях отдельных групп гармоник импульса невелика и можно считать, что весь импульс распространяется со скоростью, соответствующей групповой скорости несущей частоты. Короткие импульсы содержат широкий спектр частот и при прохождении через ионосферу искажаются. Характер искажений прямоугольного импульса изображен на рис. 4.9 [9].

Рис. 4.9. Искажение прямоугольного импульса при прохождении радиоволн в ионизированном газе: 1 - первоначальная форма импульса; 2 - форма импульса после прохождения через ионосферу

Группа высоких гармоник распространяется с большой групповой скоростью и создает импульс - предвестник (см. рис. 4.9, часть а-b). Основная часть энергии - "тело" импульса (см. рис. 4.9, часть b-с) распространяется со скоростью, соответствующей несущей частоте. Группа низких гармоник распространяется с меньшей групповой скоростью и создает запаздывающий импульс (см. рис. 4.9, часть с-d), Сам импульс оказывается "размытым". Искажения сказываются сильно в том случае, когда импульс короткий, а несущая частота близка к собственной частоте ионизированного газа. При распространении через ионосферу искажения за счет дисперсии претерпевают импульсы длительностью в несколько микросекунд. Телеграфные импульсы большой длительности практически не искажаются благодаря дисперсии.