Рефракция радиоволн в тропосфере.

Отличие коэффициента поглощения тропосферы от единицы и изменение его с высотой существенно влияют на распространение радиоволны, особенно УКВ – диапазона.

Разобьем тропосферу на тонкие слои, в пределах каждого из которых коэффициент преломления будем считать неизменным.

Если пренебречь кривизной Земли и считать тропосферу плоскослоистой, то траекторию волны в такой среде можно определить следующим образом.

Рис. 1.3

На границе раздела каждого из слоев действует закон преломления (закон Снелля):

Таким образом, при распространении волны в плоской слоистой среде выполняется условие постоянства произведения показателя преломления волны на синус угла падения этой волны, то есть:

1) Если , то траектория луча будет искривленной выпуклостью к верхним слоям атмосферы.

2) Если – выпуклость траектории будет к Земле.

Это явление называется тропосферной рефракцией радиоволн.

Получим выражение для радиуса кривизны траектории радиоволны, распространяющейся в тропосфере.

Рис. 1.4

На рисунке 1.4 изображены границы слоя на высоте dh, коэффициент преломления изменяется в слое на величину dn. Волна, подающая на нижнюю поверхность под углом преломляется и падает на верхнюю границу под углом . На участке ab траектория волны представляется отрезком кривой с радиусом кривизны – .

Углом между касательными к кривой в точках a и b равен , следовательно и угол .

Радиус кривизны траектории равен:

Решая треугольник и учитывая, что , , получаем:

- радиус кривизны траектории радиоволны.

Для практически требуемой точности в (1.9) можно положить в числителе .

Учитывая с другой стороны, что при распространении земных радиоволн основной интерес представляют пологие лучи, для которых , получим:

- радиус кривизны траектории радиоволны.

Формулы (1.10) показывает, что радиус кривизны луча в нижних слоях тропосферы определяется не абсолютным значением п, а скоростью его изменения с высотой .

Рефракция подразделяется на:

1) Положительную, если

2) Отрицательную, если

Для положительной рефракции траектория луча обращена выпуклостью вверх, для отрицательной выпуклостью вниз.

Если положить, что показатель преломления меняется по линейному закону (что справедливо для нижней части тропосферы), то радиус кривизны траектории не меняется с высотой и траектория представляет собой окружность.

Положительную траекторию можно классифицировать следующим образом:

1) Пониженная рефракция, когда 1/км;

2) Нормальная рефракция, когда 1/км;

3) Критическая рефракция, когда 1/км;

4) Сверхрефракция, когда 1/км.

– радиус Земли ( км).

Таким образом, влияние тропосферы на распространение радиоволн заключается в искривлении траектории луча.

Для облегчения расчетов при учете влияния тропосферы в некоторых случаях оказывается удобным упрощенный способ учета влияния тропосферной рефракции, основанный на предположении о том, что радиоволны по-прежнему распространяются по прямолинейным траекториям с постоянной скоростью, однако не над реальной поверхностью Земли радиуса - , а над воображаемой поверхностью с эквивалентным радиусом . Значение эквивалентного радиуса определяется из условия сохранения значения разности кривизны луча и поверхности Земли в действительных условиях и в эквивалентной схеме распространения.

Рис. 1.5

Траекторию радиоволны можно описать следующим образом:

Отсюда

- эквивалентный радиус Земли (при учете рефракции радиоволны в тропосфере).

Найдем отношение и обозначим его через – k

Изобразим зависимость коэффициента k от градиента коэффициента преломления .

Рис. 1.6

Для нормальной тропосферной рефракции 1/км.

Подставляя в (1.13) это значение и значение м, находим что или км.

Представление об эквивалентном радиусе Земли ( – для нормальной тропосферной рефракции) позволяет распространить все полученные ранее формулы, учитывающие кривизну земной поверхности на неоднородную тропосферу путем замены в них действительного радиуса Земли его эквивалентным значением – .

1) При критической рефракции . Это означает, что эквивалентную поверхность Земли можно представить в виде плоскости. Волна распространяется параллельно поверхности Земли на неизменной высоте.

Рис. 1.7

2) При сверхрефракции наступает полное внутреннее отражение волны в тропосфере и луч возвращается на земную поверхность.

Рис. 1.8

Достигнув поверхности Земли и отразившись от нее, волны приобретают способность (за счет многократных отражений) распространяться на большие расстояния. Это явление получило название “тропосферного волновода”, и возможно только для “СМ” и “ДЦ” – волн.

Выражение для дальности прямой видимости при учете тропосферной рефракции будет иметь вид:

- дальность прямой видимости с учетом тропосферной рефракции.

Подставляя в последнюю формулу значение для нормальной рефракции, получим:

км (1.15)

- дальность прямой видимости УКВ – диапазона с учетом тропосферной рефракции.

Без учета тропосферной рефракции дальность прямой радиовидимости определяется формулой:

км. (1.16)

Рис. 1.9

Дата добавления: 2015-08-17