НОВОСТИ    БИБЛИОТЕКА    ССЫЛКИ    О САЙТЕ




предыдущая главасодержаниеследующая глава

§ 4.9. Преломление и отражение радиоволн в ионосфере

Электронная плотность ионосферы сначала возрастает с высотой над земной поверхностью, на высоте 300÷400 км имеет максимум, а затем убывает, как это схематически показано на рис. 4.10, а. Следовательно, диэлектрическая проницаемость ионосферы убывает с высотой, имеет минимум на высоте максимума электронной плотности и возрастает до единицы при дальнейшем увеличении расстояния от Земли (рис. 4.10, б). В неоднородной среде траектория волны искривляется, что может привести к отражению радиоволн.

Рис. 4.10. Изменение параметров ионосферы с высотой: а - электронная плотность; простой слой; аппроксимация параболическим законом; б - диэлектрическая проницаемость для трех рабочих частот
Рис. 4.10. Изменение параметров ионосферы с высотой: а - электронная плотность; простой слой; аппроксимация параболическим законом; б - диэлектрическая проницаемость для трех рабочих частот

Рассмотрим траекторию распространения волны в неоднородной ионосфере, свойства которой меняются с высотой, а в горизонтальном направлении остаются постоянными. Для простоты будем считать земную поверхность и ионосферу плоскими.

Разобьем ионосферу на тонкие слои, в пределах каждого из которых диэлектрическую проницаемость будем считать постоянной (рис. 4.11, а). Тогда уравнение движения волны запишется так же, как для случая распространения радиоволны в слоистой тропосфере [см. уравнение (3.22)].


Рис. 4.11. Отражение радиоволн от плоской слоистой ионосферы: а - схема ступенчатого изменения е ионосферы с высотой; б - отражение радиоволн от ионосферы при различных углах падения 01 02 03
Рис. 4.11. Отражение радиоволн от плоской слоистой ионосферы: а - схема ступенчатого изменения ε ионосферы с высотой; б - отражение радиоволн от ионосферы при различных углах падения θ01 < θ02 < θ03

При уменьшении толщины слоев, т. е. при плавном изменении ε траектория волны в пределе обратится в кривую. При убывании ε с высотой на каждый последующий слой волна будет падать под все большим углом, так что на некоторой высоте могут создаться условия для полного внутреннего отражения и волна пойдет параллельно границе раздела слоев. При небольшой неоднородности ионосферы направление волны может отклониться вниз и тогда волна, преломляясь, вернется на Землю, т. е. произойдет отражение волны (рис. 4.11, б).

Таким образом, в ионосфере отражение радиоволн происходит не на границе воздух - ионизированный газ, а в толще ионизированного газа. Отражение может произойти только в той области ионосферы, где диэлектрическая проницаемость убывает с высотой, а следовательно, электронная плотность возрастаете высотой, т. е. ниже максимума электронной плотности ионосферного слоя.

Выясним соотношение между электронной плотностью, углом падения волны на нижнюю границу ионосферы и рабочей частотой, которое должно быть выполнено, для того чтобы произошли отражения радиоволн от ионосферы. Угол полного внутреннего отражения согласно выражению (1.73) при плавном изменении диэлектрической проницаемости с высотой близок к 90°, поскольку sin θкр ≈ 1.

На нижней границе ионосферы величину εсв можно принять равной единице. Тогда из уравнения траектории волны (3.22) можно записать условие отражения:


Условие отражения связывает угол падения волны на нижнюю границу ионосферы с диэлектрической проницаемостью в толще самой ионосферы, на той высоте, где происходит отражение волн.

Перепишем условие отражения, подставив в него выражение (4.6) для диэлектрической проницаемости ионизированного газа (потери энергии не учитываются)


Следовательно, при определенной электронной плотности волна данной частоты отразится только в том случае, если угол падения θ0 равен или превышает величину, определяемую (4.40). Чем больше электронная плотность Nэ, тем при меньших значениях угла 60 возможно отражение. Угол θ0кр, при котором в данных условиях еще возможно отражение, называют критическим углом (рис. 4.12).

Из выражения (4.40) можно определить максимальную рабочую частоту волны, которая отразится от ионосферы при заданных величинах электронной плотности и угла падения волны на слой:


Чем больше угол падения волны на ионосферу, тем большая электронная плотность требуется для отражения и тем на большей высоте происходит отражение (см. рис. 4.11, б).

Если волна падает нормально на слой ионосферы, то с учетом (4.7)


При нормальном падении волны отражение происходит на той высоте, где рабочая частота равна собственной частоте плазмы и, следовательно, ε = 0. Из (4.41) и (4.42) видно, что для отражения волн, посланных нормально и под углом 6 к ионосфере, нужна одна и та же электронная плотность, если f0 = f0/cosθ0. Отражение этих волн происходит на одной и той же высоте.

В случае одной и той же электронной плотности ионосферы при наклонном падении может отразиться волна, частота которой в sec θ0 раз превышает частоту волны, отражающейся при вертикальном падении на слой:

f0 = f0 sec θ0. (4.43)

Это соотношение называется законом секанса.

Чем больше электронная плотность, тем для более высоких частот выполняется условие отражения.

Максимальная частота, при которой волна отражается в случае вертикального падения на ионосферный слой, называется критической частотой fкр (отражение происходит вблизи максимума ионизации):


Если рабочая частота больше критической, то при нормальном падении волны на ионосферу отражения не происходит и волна уходит в космическое пространство. Коэффициент отражения равен нулю.

Таким образом, коэффициент отражения волны от ионосферы меняется в зависимости от частоты скачком при f = fкр. Если рабочая частота меньше критической, то происходит полное отражение волны от ионосферного слоя. Коэффициент отражения равен единице. При наклонном падении волны ионосфера прозрачна для частот, превышающих максимальную частоту [см. уравнение (4.41)].

При распространении радиоволн на большие расстояния условия отражения необходимо рассматривать с учетом сферичности Земли и ионосферы. Уравнение траектории волны в сферически слоистой среде описывается уравнением (3.19), которое применительно к ионосфере (см. рис. 4.12) можно переписать в виде


Рис. 4.12. Условие отражения радиоволн от ионосферы с учетом сферичности Земли и ионосферы
Рис. 4.12. Условие отражения радиоволн от ионосферы с учетом сферичности Земли и ионосферы

Полагая √ε(h0) = 1 и учитывая, что при отражении sin θкр = 1, получаем условие отражения:


где z0 - высота точки отражения над нижней границей ионосферного слоя.

Подставляя в (4.45) выражение для ε (4.8) и решая относительно частоты, получаем соотношение между частотами радиоволн, отражающихся в случае вертикального и наклонного падения на ионосферу при одной и той же электронной плоскости:


Максимальная частота волны, отражающейся при наклонном падении на ионосферу,


Частота f0max зависит от критической частоты, высоты отражающего слоя и угла падения волны на ионосферу.

Формулу (4.46) приводим к виду, аналогичному (4.43):

f0 = K f0 sec θ0, (4.48)

где  

- поправочный коэффициент, учитывающий сферичность Земли и ионосферы.

Сферичность Земли и ионосферы ограничивает максимальный угол падения волны на ионосферу.

Из рис. 4.12 видно, что волна, направленная по касательной к Земле, падает на ионосферу под наибольшим возможным при данной высоте слоя углом θ0max. Из треугольника АОВ имеем


То обстоятельство, что волна не может быть послана под углом, большим θ0max, приводит к ограничению рабочего диапазона.

При заданной электронной плотности Nэ max может отразиться волна, частота которой не превышает


Так, если отражение происходит на высоте 200 км, то отношение

f0max max/fкр ≈ 4.

Практически от ионосферы могут отражаться волны длиннее 10 м.

предыдущая главасодержаниеследующая глава


ИНТЕРЕСНО:
  • 'Ростех' показал компьютеры на базе российских процессоров 'Эльбрус-8С'
  • 'Байкал Электроникс' выполнила очередной этап проекта по промышленному производству микропроцессоров
  • Представлен самый сложный на сегодняшний день микрочип, изготовленный из двумерного материала
  • Инженеры IBM уместили 30 млрд транзисторов на чип размером с ноготь
  • Samsung может обогнать Intel и стать производителем чипов №1
  • Отечественный персональный компьютер 'Эльбрус-401 РС' пошёл в серийное производство
  • Появился первый официально признанный «полностью российский чип»
  • 'Ангстрем' представил полностью отечественную линейку изделий силовой электроники
  • Samsung первой в мире запустила производство 10-нанометровых чипов
  • На базе российского процессора КОМДИВ-64 создан защищенный компьютер для военных
  • Названа цена разработки российских процессоров «Эльбрус»
  • В России разработан микроконтроллер «электронного мозга» для транспорта и робототехники
  • «Ангстрем» разработал уникальные космические транзисторы
  • Микрон вошёл в ОЭЗ с проектами производства чипов 65-45-28 нм и собственной территорией
  • Основной российский производитель электролитических конденсаторов получил 280 млн на новый импортозамещающий проект
  • В Томске разработана технология синтеза вещества для производства прозрачной электроники
  • У нас тут своя архитектура
  • Роберт Бауэр - создатель SAGFET-транзисторов
  • В России выпустили 6-ядерный 40-нм процессор
  • После 4 лет простоя Егоршинский радиозавод модернизирует производство
  • Завод радиоэлектроники открыт 'Микраном' в Томске
  • Джек Сент Клер Килби - изобретатель интегральных схем






  • © Сенченко Антонина Николаевна, Злыгостев Алексей Сергеевич, 2010-2017
    При копировании обязательна установка активной ссылки:
    http://rateli.ru/ 'rateli.ru: Радиотехника'