تنتشر موجات الراديو المنبعثة من أجهزة إرسال مختلفة في الفضاء المحيط بهوائي الإرسال في خط مستقيم وبشكل مستقل عن التذبذبات الكهرومغناطيسية الأخرى. لكن هذه القاعدة صالحة فقط في حالة انتشار الموجة في عازل مثالي وفي غياب أي عوائق.

يتأثر انتشار الموجات الراديوية في الفضاء القريب من الأرض بشكل كبير بسطح الأرض وخصائص الغلاف الجوي للأرض. سطح الأرض ليس مسطحًا وليس لديه موصلية مثالية. تعمل المخالفات المختلفة على سطح الأرض (الجبال والمباني) على تشتيت وامتصاص الاهتزازات الكهرومغناطيسية، وتعتمد درجة التأثير على الطول الموجي.

كما أن الغلاف الجوي للأرض غير متجانس وتعتمد خصائصه بشدة على الارتفاع فوق سطح الأرض. ويمتد الغلاف الجوي للأرض إلى ارتفاع يزيد على ألف كيلومتر، دون حدود عليا حادة. تسمى طبقة الغلاف الجوي الواقعة مباشرة تحت سطح الأرض التروبوسفير. تتميز خصائص وحالة التروبوسفير بثلاثة عوامل: ضغط الهواء ودرجة الحرارة والرطوبة. ومع التغيرات في الضغط والرطوبة ودرجة الحرارة، يتغير أيضًا معامل الانكسار لطبقات التروبوسفير. عادة، يتناقص هذا الرقم ببطء أثناء الصعود. على ارتفاعات 60 كم فما فوق، تتعرض الغازات التي يتكون منها الغلاف الجوي للأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية الصادرة من الطيف الشمسي المتأين. ولذلك فإن طبقات الغلاف الجوي الواقعة على ارتفاعات من 60 كم إلى 400 كم فوق سطح الأرض تسمى الأيونوسفير. درجة التأين على ارتفاعات مختلفة مختلفة وغير متجانسة (الشكل 4).

أدنى منطقة مؤينة – طبقة د– تقع على ارتفاعات من 60 كم إلى 90 كم. يتكون في النهار تحت تأثير أشعة الشمس ويختفي في الليل.

أرز. 4. هيكل الغلاف الأيوني للأرض.

المنطقة المتأينة التالية هي طبقة ه- يبلغ الحد الأقصى لارتفاعه 120 كم. يعتمد تركيز الإلكترون في الطبقة E بشدة على الوقت من اليوم والموسم. في الصيف يكون تركيز الإلكترون أعلى منه في الشتاء. على ارتفاعات 80-100 كم، لوحظ عدم تجانس التأين القوي.

تسمى المنطقة العليا من الأيونوسفير (من 180 إلى 400 كم). طبقة ف. خلال ساعات النهار في أشهر الصيف، تنقسم هذه المنطقة إلى طبقتين F1 (180 – 240 كم) وF2 (300 – 400 كم). وبقية اليوم والعام، تبقى طبقة F2 فقط.

يتم تعطيل المسار المنتظم لتركيز الإلكترون في طبقات الأيونوسفير نتيجة لتوهجات النشاط الشمسي. تكون هذه التغييرات أقوى في الطبقتين D وE.

تحتوي كل طبقة من طبقات الأيونوسفير على تركيز غير متساوٍ من الإلكترونات. ويزداد هذا التركيز تدريجيا مع الارتفاع، ويصل إلى الحد الأقصى ثم يتناقص تدريجيا. يمكن للمرء أن يتخيل تقريبًا أن الطبقة الأيونوسفيرية (على سبيل المثال، الطبقة F)، بدورها، لها بنية متعددة الطبقات. ونتيجة لهذا الهيكل من الغلاف الأيوني، تنكسر موجات الراديو، وفي ظل ظروف معينة، يمكن أن تعود إلى الأرض مرة أخرى (الشكل 5). تسمى موجات الراديو التي تعود إلى الأرض بعد انعكاسها في الغلاف الأيوني بالموجات الفضائية.

أرز. 5. تأثير الأيونوسفير على انتشار موجات الراديو.

تسمى موجات الراديو التي تنتشر على مقربة من سطح الأرض وتغلف جزئيًا انتفاخ الكرة الأرضية بسبب الحيود الموجات السطحية (الأرضية).

يتم تحديد تقسيم موجات الراديو إلى طويلة وقصيرة وقصيرة جدًا إلى حد كبير من خلال خصائص انتشارها (الشكل 7).

ل طويل جداوتشمل الأمواج موجات أكبر من 10000 متر، و طويل- من 10000 إلى 1000 متر.

فمياه المحيطات والبحار وحتى التربة الرطبة تكاد تكون موصلة لهذه الموجات، أي. وتعكسها أيضًا في أي زاوية سقوط. تشبه هذه العملية انتشار الموجات في دليل موجي عملاق (أو نظام متحد المحور)، جدرانه هي الأيونوسفير وسطح الأرض (الشكل 6). إن طبيعة الانتشار "الدليل الموجي" هذه (وليس ظاهرة الحيود البسيطة) هي التي تجعل من الممكن تفسير إمكانية الاتصال طويل الموجة عبر أي مسافات أرضية حتى القطب المقابل (حوالي 20000 كيلومتر).

أرز. 6. انتشار الموجات الطويلة.

من الخصائص المفيدة للاتصالات طويلة الموجة والبث الإذاعي طويل الموجة الثبات المقارن لشدة المجال عند نقطة الاستقبال طوال اليوم والسنة وفترة 11 عامًا من النشاط الشمسي.

العيب الرئيسي لنطاق الموجة الطويلة هو سعة التردد المنخفضة (العدد الإجمالي للكيلوهرتز). كما أن هياكل الهوائيات كبيرة الحجم بما يتناسب مع الطول الموجي. بالإضافة إلى ذلك، في الموجات الطويلة، يوجد تداخل قوي جدًا مع استقبال الراديو بسبب تفريغ الكهرباء في الغلاف الجوي.

ل موجة متوسطةيشمل النطاق موجات من 1000 إلى 100 متر. هناك العديد من محطات البث الإذاعي ومحطات الاتصالات التابعة للأسطول التجاري لمختلف البلدان التي تعمل على الموجات المتوسطة. إذا تميزت الموجات الطويلة بانتشار "الدليل الموجي" بين سطح الأرض والطبقة E، فإن تركيز الإلكترونات في الطبقة E ليس كافيًا دائمًا للانعكاس الرأسي للموجات المتوسطة، كما أن تركيز الطبقة D ليس كافيًا على الإطلاق.

وبالمقارنة مع الموجات الطويلة، فإن الموجات المتوسطة تخترق الطبقة المتأينة بشكل أعمق بكثير قبل أن تنعكس. يتم امتصاصها بقوة في الطبقة النهارية E، وكذلك في الطبقة D، والتي تمر من خلالها مرتين. في الليل، تنعكس الموجات المتوسطة من الطبقة E فقط عند حدوث مائل (أي اختراقها بشكل غير عميق) وعدم مواجهتها للطبقة D على مسار الانتشار، مما يؤدي إلى خسارة أقل بكثير.

كل ما سبق يوضح الميزة التالية للموجات المتوسطة: خلال النهار تكون سطحية فقط (أرضية)، وفي الليل، على مسافات أكبر من المرسل، يمكن أيضًا استقبال الموجات المكانية (الأيونوسفيرية).

ونظرًا لأن مشاركة الأيونوسفير في انتشار الموجات المتوسطة تكون متقطعة، فإن هذا الانتشار له عدد من الميزات. وينبغي اعتبار أول هذه الميزات الخبو (الانخفاض الحاد) في قوة الاستقبال. إذا وصلت الموجات الأرضية (والموجات الأرضية فقط) إلى نقطة الاستقبال أثناء النهار، فيمكن أيضًا أن تصل الموجات المنعكسة عن طريق الأيونوسفير في الليل إلى نقطة الاستقبال. ثم يصبح المجال عند نقطة الاستقبال نتيجة تداخل الموجات الأرضية والأيونوسفيرية وسيتعزز عندما تكون هذه الموجات في الطور أو يضعف عندما تكون هذه الموجات خارج الطور.

السمة الثانية لانتشار الموجات المتوسطة هي التقلبات في قوة الاستقبال خلال النهار. وعلى مسافات قريبة، حيث يكون المجال الرئيسي هو مجال الموجة الأرضية، تظل قوة الاستقبال دون تغيير تقريبًا طوال اليوم. وعلى المسافات المتوسطة، حيث تصل الموجات الأرضية بتوهين، قد تكون السمعية ضعيفة أثناء النهار، وفي الليل، عندما يكون مجال الموجات المكانية هو السائد، تزداد السمعية، ويصاحبها تلاشي. على مسافات كبيرة، حيث لا تصل الموجات الأرضية عمليا، يمكن أن تظهر السمعية فقط في الليل بسبب موجات الأيونوسفير.

تتغير أيضًا ظروف اتصالات الموجات المتوسطة على مدار العام بسبب زيادة مستويات التداخل الجوي خلال أشهر الصيف. إن تأثير فترة 11 عامًا من النشاط الشمسي وتأثير اضطرابات الغلاف الأيوني على الموجات المتوسطة غير مهم.

قصيرتسمى الموجات من 100 إلى 10 م (تردداتها من 3*106 إلى 30*106 هرتز) . هذه الموجات، مثل الموجات المتوسطة، يمكن أن تنتشر بواسطة الأشعة السطحية والمكانية.

إن امتصاص طاقة الموجات الراديوية في سطح الأرض يزداد بازدياد التردد، وبالتالي تنتشر الموجات القصيرة على طول الأرض على مسافات قصيرة نسبيا: بقدرات إشعاعية تبلغ عشرات بل مئات الواطات، عشرات الكيلومترات فقط، خاصة عندما نتحدث عن موجات في النصف العلوي من نطاق الموجة القصيرة (50 - 10 م).

في الموجات القصيرة، الطريقة الرئيسية لنقل الإشارة هي انعكاسات مفردة أو حتى متعددة من الأيونوسفير. وبهذه الطريقة يتم تنفيذها الاتصالات الاقتصادية لمسافات طويلةوالبث الإذاعي لمسافات طويلة. في ظل الظروف العادية لانتشار الموجات القصيرة المكانية الطبقة العاكسة F2والطبقات الأساسية هو دتبين أنها ممتصة، أي ضارة.

خلال النهار، تُستخدم الموجات الأقصر في هذا النطاق للاتصالات بعيدة المدى (من 10 إلى 25 تقريبًا). م)؛بزاوية ارتفاع صغيرة يمكن أن تنعكس من الطبقة F2.وبطبيعة الحال، ستبدأ الموجات الأطول في الانعكاس، ولكن مع تركيز عالٍ من الإلكترونات في الطبقات هو دستكون الخسائر في هذه الطبقات أثناء النهار كبيرة جدًا وستتطلب زيادة غير مواتية في قدرة المرسل. في الليل، يتم استخدام الجزء السفلي من نطاق الموجة القصيرة (حوالي 35 إلى 100 متر) للاتصالات بعيدة المدى، لأنه مع انخفاض تركيز الإلكترون في الطبقة ف 2سوف تمر الموجات الأقصر عبر الأيونوسفير حتى عند زوايا الارتفاع المنخفضة. الخسائر في الطبقات الموجودة أدناه ليست خطيرة للغاية، لأن الطبقة D تختفي في الليل، وتأين الطبقة هيتناقص بشكل كبير.

الأمواج التي تحتل المنطقة بين "النهار" و"الليل"(حوالي 25 إلى 35 مترًا)، يتم استخدامها بنجاح للاتصالات ساعات نصف الضوء.ويجب، بالطبع، أن نتذكر أن التحديد الدقيق لهذه الأقسام الثلاثة من نطاق الموجات القصيرة أمر مستحيل، لأن حدودها تعتمد على الموسم وعلى مرحلة فترة النشاط الشمسي البالغة 11 عامًا.

عند استقبال الموجات القصيرة المكانية، يتم ملاحظة تغيرات عشوائية في شدة المجال الكهربائي، والتي ترتبط بالخبو وزيادة شدة الاستقبال. يكون الخبو هنا أعمق ويتبع بعضه البعض أكثر من الموجات المتوسطة.

في الأطوال الموجية القصيرة، عادة ما يكون الخبو نتيجة لتداخل الأشعة المتعددة المنعكسة من الغلاف الأيوني.

تتمثل الطرق الرئيسية لمكافحة التأثيرات الضارة للخبو في التحكم التلقائي في الكسب والاستقبال على هوائيات متباعدة (وأحيانًا على هوائيات ذات استقطاب متعامد بشكل متبادل).

في الموجات القصيرة، عندما يتحرك جهاز الاستقبال بعيدًا عن جهاز الإرسال، غالبًا ما يكون هناك أولاً انخفاض في السمع حتى يتوقف تمامًا، وبعد ذلك، مع مسافة أكبر، يتم استعادة الاستقبال الطبيعي للإشارة. ولذلك، بين منطقتي السمع هناك منطقة الصمت.

النطاق محدود بـ 30 ترددًا ميغاهيرتز (= 10 م) و 30000 ميغاهيرتز (سم)،يسمى النطاق موجات فائقة القصر,(فف). وبدوره، ينقسم هذا النطاق إلى موجات متر (كمن 10 م إلى 1 م) ديسيمتر (كمن 1 م إلى 10 سم)و سنتيمتر (من 10 سمتصل إلى 1 سم).موجات أقصر من 1 سموتسمى ملليمترو أقل من ملليمترأمواج.

تتمتع الاتصالات والبث الإذاعي على الموجات القصيرة جدًا بمزايا مهمة جدًا مقارنة باتصالات الموجات الطويلة والقصيرة والبث الإذاعي. عادةً ما يكون البث التلفزيوني ممكنًا فقط على الترددات العالية جدًا (VHF).

الميزة الأولى هي القدرة على النقل بشكل أكبر مدى واسعترددات الإشارة (على سبيل المثال، العديد من قنوات الهاتف الراديوي أو قناة تلفزيونية)

الميزة الثانية للموجات فائقة القصر هي تركيز عاليإجراءات الهوائي تجاه المراسل.

ينبغي النظر في ميزة أخرى للاتصالات ذات التردد العالي جدًا (VHF)، والتي يتم ضمانها بالكامل في ظل وجود رؤية مباشرة (هندسية) بين هوائيات المحطات المقابلة الاستدامة،أي ثبات مستوى الإشارة في جهاز الاستقبال، بغض النظر عن الساعة من اليوم والوقت من السنة وأسباب خارجية أخرى.

إن متطلبات خط البصر بين هوائيات الراديو VHF، والتي حدت من استخدام هذا النطاق لعقود من الزمن، تنبع من استقامة انتشار التدفق الرئيسي للطاقة من هذه الموجات.

أرز. 7. خاصية التوزيع

موجات الراديو ذات النطاقات المختلفة.

فقط في الخمسينيات أصبح الاتصال المباشر لمسافات طويلة على الترددات العالية جدًا (VHF) ممكنًا. يتم ضمان هذا الاتصال، أولاً، عن طريق نثر الموجات المترية (VHF) على المخالفات في طبقة التروبوسفير، وثانيًا، عن طريق التشتت على المخالفات في طبقة الأيونوسفير والانعكاس من مسارات النيزك المتأينة، وثالثًا، عن طريق الترحيل عبر الأقمار الصناعية الأرضية الاصطناعية.

يتم إنشاء إمكانية الاتصال لمسافات طويلة (وعلاوة على ذلك، منتظمة ومستقرة نسبيا) على الموجات المترية (VHF). نثرطاقتهم في محلي(محلي) عدم تجانس طبقة التروبوسفير.يتم إنشاء مثل هذه التباينات وتفككها باستمرار بسبب حركات دوامة الهواء. يمكن أن تكون إما مسطحة أو كروية الشكل. تتعرض أشعة الموجات الفائقة القصر، التي تمر عبر مخالفات التروبوسفير، إلى انعكاس جزئي لطبيعة متناثرة. وتتجه الأشعة المتفرقة في الغالب إلى الأمام، ويصل بعضها إلى الأرض في نقاط بعيدة عن نقطة الإشعاع على مسافات تصل إلى مئات الكيلومترات.

هناك إمكانية أخرى للاتصال لمسافات طويلة على الموجات القصيرة جدًا وهي الاتصال بسبب تشتت الموجات في الأيونوسفير.في الطبقات السفلى من الأيونوسفير، وخاصة في الطبقة د،هناك عدم تجانس في تركيز الإلكترون. تؤدي حالات عدم التجانس هذه أيضًا إلى تشتيت بعض طاقة الموجات الراديوية التي تمر عبرها، تمامًا كما تنتشر حالات عدم التجانس في طبقة التروبوسفير.

ومع ذلك، فإن الاتصال باستخدام الانعكاس المتناثر من المخالفات الموجودة في الغلاف الأيوني له خصائص محددة.

ويترك النيزك وراءه "أثرًا" متأينًا يتبدد على مدى فترة زمنية تتراوح من أعشار الثانية إلى عدة ثوانٍ. يتم حساب متوسط ​​طول الأثر الذي يحافظ على كثافة تأين عالية على أنه يساوي 25 كم.كثافة التأين لمسار النيزك كافية لكي يكون انعكاس الموجات المترية مرآويًا وليس متناثرًا. 8. مع الجمع بين اتجاه مسار النيزك واتجاه مسار الاتصال، يكون لتدفق الطاقة للموجات المنعكسة كثافة أعلى بكثير من تدفق الموجات المتناثرة. وهذا ما يفسر زيادة مستوى الإشارة أثناء انعكاس النيزك.

يُظهر البناء الهندسي أن التواصل النيزكي ممكن من حوالي 700 إلى 2000 كم،وكذلك الأيونوسفير. يتم توفير التأثير الأكبر عند نقطة الاستقبال من خلال النيازك المتعامدة مع مستوى انتشار الموجات الراديوية بين نقطتي الإرسال والاستقبال. أما بالنسبة لنطاق الموجة، فإن الترددات 30-60 مفيدة ميغاهيرتز(موجات من 10 إلى 5 م)، لأن جزءًا كبيرًا من الآثار غير كافٍ بالفعل لعكس الموجات الأقصر.

الشكل 8. مخطط الاتصال مع الانعكاس من مسار النيزك.

تعد موجات الراديو أحد نطاقات الموجات الكهرومغناطيسية، وبالتالي فإن انتشار موجات الراديو يخضع للقوانين العامة لانتشار الموجات الكهرومغناطيسية (وكذلك الموجات الضوئية). إن انتشار موجات الراديو في ظل ظروف الأرض له بعض الاختلافات المهمة عن انتشار موجات الراديو في الفضاء الحر. تمثل الطبقات السطحية للأرض والفضاء القريب من الأرض بيئات ذات خصائص مختلفة لانتشار المجال الكهرومغناطيسي. كما هو الحال بالنسبة للموجات الضوئية، عند حدود الوسائط ذات الخصائص الكهربائية المختلفة (على سبيل المثال، الأرض - الفضاء القريب من الأرض)، من الممكن انعكاس وانكسار موجات الراديو. وفي الوقت نفسه، فإن سطح الأرض نفسها والفضاء القريب من الأرض عبارة عن وسائط غير متجانسة ذات معلمات كهربائية مختلفة (الموصلية الكهربائية، ثابت العزل الكهربائي، وما إلى ذلك). لذلك، عندما تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في وسط غير متجانس، يمكن أن يتغير كل من اتجاه وسرعة انتشار الطاقة الكهرومغناطيسية (الانكسار). ويلاحظ امتصاص إضافي لطاقة الموجات الراديوية عندما تنتشر في بيئات ضائعة.

من السمات الأساسية لانتشار الموجات الراديوية في ظل الظروف الأرضية اعتماد خصائص الانتشار على طول الموجة. يعتمد انتشار الموجات الراديوية على طول سطح الأرض على تضاريسها وخصائصها الفيزيائية. أهم المعلمات الكهربائية للتربة هي التوصيل الكهربائي وثابت العزل الكهربائي. تحدد هذه الخصائص معلمات الموجات المنعكسة والمنكسرة عند السطح البيني بين وسطين. تحدد الموصلية الكهربائية للتربة أيضًا فقدان الطاقة أثناء انتشار الموجة. لا توجد خسائر في الطاقة أثناء انتشار الموجات الراديوية إذا كان من الممكن اعتبار سطح الأرض موصلًا مثاليًا أو عازلًا مثاليًا للكهرباء. في الظروف الحقيقية، تؤدي التذبذبات الكهرومغناطيسية المنتشرة على سطح الأرض إلى تحفيز تيارات تحريضية في التربة. عندما تتدفق هذه التيارات عبر التربة، يتم إطلاق الحرارة. وفي نهاية المطاف، يؤدي هذا إلى خسائر لا رجعة فيها في انتشار الموجة الكهرومغناطيسية. وتزداد هذه الخسائر مع التكرار.

يلعب الغلاف الجوي للأرض (القشرة الغازية للأرض) تأثيرًا لا يقل أهمية على انتشار موجات الراديو في الفضاء القريب من الأرض. بناءً على مجموعة من الخصائص الفيزيائية، ينقسم الغلاف الجوي عادةً إلى ثلاث طبقات مميزة: التروبوسفير، والستراتوسفير، والأيونوسفير.

طبقة التروبوسفير هي الطبقة السفلى من الغلاف الجوي، وتقع من سطح الأرض إلى ارتفاعات تتراوح بين 10 إلى 20 كيلومترًا تقريبًا. يتم تحديد خصائص طبقة التروبوسفير من خلال خليط من الغازات (النيتروجين والأكسجين وغيرها) وبخار الماء. مع الارتفاع، تنخفض درجة الحرارة وضغط الهواء، وكذلك محتوى بخار الماء في طبقة التروبوسفير. وبالتالي، فإن طبقة التروبوسفير غير متجانسة في خواصها الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، تؤدي التغيرات في الظروف الجوية إلى تكوين تيارات هوائية، مما يسبب اختلاطًا شديدًا لطبقات التروبوسفير.

الستراتوسفير هي طبقة من الغلاف الجوي تقع فوق طبقة التروبوسفير، وتمتد إلى ارتفاعات تتراوح بين 60 و80 كيلومترًا. علامة الانتقال إلى طبقة التروبوسفير هي توقف انخفاض درجة حرارتها مع الارتفاع (في الطبقات العليا من طبقة التروبوسفير تنخفض درجة الحرارة إلى - (50...60) درجة مئوية). كثافة الغازات في طبقة الستراتوسفير أقل بكثير من كثافة الغازات في طبقة التروبوسفير. لا تتغير الخواص الكهربائية لطبقة التروبوسفير عمليا، وتنتشر موجات الراديو فيها بشكل مستقيم ودون خسارة تقريبا.

الأيونوسفير هو الطبقة العليا من الغلاف الجوي المتأين المحيط بالأرض (حتى ارتفاعات تصل إلى عدة آلاف من الكيلومترات). تحت تأثير الإشعاع الكوني والأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس، يتم إخراج الإلكترونات من ذرات الغاز التي يتكون منها الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى تكوين أيونات غازية موجبة وإلكترونات حرة. عندما يلتقي إلكترون حر مع ذرة متأينة، فإنهما يتحدان (إعادة التركيب). على ارتفاعات عالية، تكون كثافة الغلاف الجوي منخفضة، وبالتالي فإن احتمال التقاء الإلكترون الحر بأيون الغاز منخفض، ويتبين أن جزءًا كبيرًا من الغاز متأين. الغاز المتأين موصل للكهرباء ويمكن أن يغير خصائص انتشار التذبذبات الكهرومغناطيسية. كلما زاد تركيز الإلكترونات الحرة، كلما زاد تأثيرها على انتشار موجات الراديو. يتم تحديد درجة تأين الغاز من خلال العديد من العوامل.

أولاً، بما أن السبب الرئيسي للتأين هو الإشعاع الشمسي، فمن الواضح أن عمليات التأين تحدث بشكل أكثر نشاطًا في مناطق الغلاف الجوي للأرض المواجهة للشمس. وبناءً على ذلك، تنتج عملية التأين خلال النهار عددًا أكبر من الإلكترونات الحرة والجزيئات المتأينة مقارنة بالليل. بالإضافة إلى ذلك فإن زيادة شدة الإشعاع الشمسي خلال النهار تؤدي إلى تأين طبقات الغلاف الجوي الواقعة بالقرب من سطح الأرض، أي. لتقليل ارتفاع الغازات المتأينة.

ثانيا، على ارتفاع مئات الكيلومترات من سطح الأرض، يتوقف تكوين الغاز في الغلاف الجوي عن أن يكون متجانسا. في هذه الارتفاعات، يتم ملاحظة التقسيم الطبقي للغازات التي يتكون منها الهواء: الغازات الأثقل تحتل في الغالب الجزء السفلي من نطاق الارتفاع هذا، في حين أن الغازات الأخف يمكن أن ترتفع إلى مستويات أعلى.

تؤدي العمليات الموضحة أعلاه إلى حقيقة أن تركيز الجزيئات المشحونة (الأيونات والإلكترونات) في الإحداثيات الجغرافية والارتفاع هو قيمة متغيرة. وقد لوحظ عدد من الحالات المتطرفة اعتمادًا على تركيز الغاز المتأين على الارتفاع. تظهر طبقات الغلاف الجوي التي يكون فيها عدد الجسيمات المشحونة أكبر من الارتفاعات المجاورة. يتم دمج المناطق ذات التركيز المتزايد في طبقات تقع على ارتفاعات مختلفة. هذه الطبقات لها أسماء خاصة.

تظهر الطبقات المتأينة للغلاف الجوي للأرض بشكل تقليدي في الشكل 6.1. على ارتفاعات 60...80 كم عن سطح الأرض توجد الطبقة D، والتي توجد فقط خلال النهار، عندما تكون شدة الإشعاع المؤين من الشمس عالية. على ارتفاعات 100...120 كم فوق سطح الأرض تقع الطبقة E. وبما أن تركيز الإلكترونات الحرة يعتمد على الوقت من السنة واليوم ويتحدد بتأثير الإشعاع الشمسي: خلال النهار، تكون الطبقة E تنخفض الطبقة إلى الأسفل، وفي الليل ترتفع إلى أعلى. المناطق التي تحتوي على أعلى تركيز للإلكترونات الحرة تشكل الطبقة F، وتقع ليلاً على ارتفاعات 250...350 كم. خلال النهار، تنقسم هذه الطبقة إلى طبقتين فرعيتين: F1 وF2، وتقعان على ارتفاعات تتراوح بين 180 إلى 450 كيلومترًا من سطح الأرض.

الشكل. 6.1 الطبقات المتأينة للغلاف الجوي للأرض

إن تمثيل الأيونوسفير في شكل طبقات هو أمر تعسفي تمامًا. في الظروف الحقيقية، لا توجد حدود واضحة بين المناطق المتأينة وغير المتأينة في الغلاف الجوي العلوي. يمكن العثور على الجسيمات المشحونة في أي مكان في الغلاف الجوي، ولكن تركيزها على ارتفاعات مختلفة سيكون مختلفًا. والانتقالات من طبقة إلى أخرى لها نطاق محدود (غير صفري). ولكن لا تزال هذه الصورة المبسطة للأيونوسفير تساعد على فهم عمليات انتشار الموجات الراديوية في الطبقات العليا من الغلاف الجوي. إن وجود "قشرة" من الغاز المتأين حول الأرض يحدد خصائص انتشار الموجات الكهرومغناطيسية. وبما أن الخواص الكهروفيزيائية للغلاف الجوي تتغير مع تغير الزمن والإحداثيات، فإن شروط انتشار التذبذبات الكهرومغناطيسية تتغير أيضًا.

يتعلق هذا إلى أقصى حد بالتغيرات في اتجاه انتشار موجات الراديو. إن انحراف اتجاه انتشار الموجات الراديوية عن الخط المستقيم له نفس طبيعة انكسار موجات الضوء عندما يمر الضوء عبر الوسائط البصرية بمؤشرات انكسار مختلفة.

ينجم انحناء اتجاه انتشار الموجات الراديوية عن تغيرات في معلمات وسط الانتشار (في الأيونوسفير، هذا تغير في تركيز الغاز المتأين) ويعتمد، من بين أمور أخرى، على الارتفاع فوق سطح الأرض سطح. تتغير مؤشرات انكسار الغلاف الأيوني مع الارتفاع بحيث ينحني اتجاه انتشار الموجات الراديوية نحو الأرض. وتسمى هذه الظاهرة الانكسار الطبيعي. وفي كثير من الأحيان يصبح هذا الانحناء كبيرًا جدًا بحيث تعود موجات الراديو المنبعثة من سطح الأرض إلى الأرض.
تعتمد خصائص الانحناء للموجات الراديوية بشكل كبير على الطول الموجي للموجة المنتشرة. كلما كان الطول الموجي أقصر، انخفضت درجة انكسار اتجاه موجات الراديو. مع زيادة التردد، يؤثر انكسار موجات الراديو بشكل أقل فأقل؛ تمر الموجات القصيرة جدًا عبر الغلاف الجوي وتستمر في الانتشار في الفضاء الخارجي. يتم استخدام نطاق موجات الراديو القادرة على التغلب على الغلاف الأيوني في أنظمة الاتصالات الفضائية والأقمار الصناعية. يوضح الشكل 6.2 مسارات انتشار الموجات الراديوية المستخدمة للاتصالات الفضائية بالتردد f1 والاتصالات الأرضية بالتردد f2.

أرز. 6.2 انكسار موجات الراديو عند أطوال موجية مختلفة

ويعتمد حجم التغير في اتجاه انتشار الموجات الراديوية أيضًا على زاوية سقوط موجات الراديو على الطبقة المتأينة. كلما كانت زاوية سقوط موجات الراديو على الطبقة المتأينة أصغر، قل التغيير في اتجاه انتشار الموجة في هذه الطبقة. ويبين الشكل 6.3 مسارات الأشعة 1 بزاوية سقوط على الطبقة المؤينة تساوي γ1، والأشعة 2 بزاوية سقوط على الطبقة المؤينة تساوي γ2. تتلقى الحزمة 1 ذات زاوية سقوط أصغر انحناءًا طفيفًا في اتجاه الانتشار، وينحني مسار الحزمة 2 كثيرًا بحيث تعود الحزمة إلى الأرض مرة أخرى.

أرز. 6.3 انكسار الموجات الراديوية عند زوايا سقوط مختلفة

في الطبقات المتأينة من الغلاف الجوي، يتم توهين موجات الراديو بقوة أكبر بكثير مما هي عليه عند الانتشار في طبقة التروبوسفير، ويزداد توهين موجات الراديو مع انخفاض التردد.

وبالتالي، فإن انتشار موجات الراديو يعتمد على عوامل كثيرة. بادئ ذي بدء، تتغير شروط انتشار التذبذبات الكهرومغناطيسية مع انخفاض الطول الموجي (زيادة تردد التذبذب). دعونا نفكر في ميزات انتشار موجات الراديو اعتمادًا على الطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي.

3.2.1. الخصائص الأساسية لموجات الراديو

موجات الراديو عبارة عن مجالات كهربائية ومغناطيسية متناوبة. تم وصف المجال الكهرومغناطيسي بواسطة معادلات ماكسويل، والتي أثبتت الفرضية القائلة بأن المجال الكهربائي المتناوب يثير مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا في الفضاء المحيط والعكس صحيح. الخصائص الأساسية للمجال الكهرومغناطيسي:

1. في الفضاء المتجانس، تنتشر موجات الراديو بشكل مستقيم، وتبلغ سرعة انتشار الموجة في الفضاء الجوي 300000 كم/ثانية.

2. يصاحب انتشار الموجات في وسط موصل (الأرض، الماء، الغاز المتأين) امتصاص الطاقة.

3. إذا وصلت الموجات من نفس المصدر إلى نقطة الاستقبال بطرق مختلفة، تحدث إضافة لهذه الموجات - تداخل.

4. عند مواجهة العوائق، تكون الموجات قادرة على الانحناء حولها - وتسمى هذه الظاهرة بالحيود. يتناقص الحيود مع انخفاض الطول الموجي.

بالقرب من سطح الأرض، تنتشر موجات الراديو بشكل مختلف عنها في الفضاء الحر، لأن الوسط (سطح الأرض - الغلاف الجوي) غير متجانس.

المنطقة العليا من الغلاف الجوي، التي تحتوي على ناقلات حرة للشحنات الكهربائية الناشئة عن تأثير الشمس، تسمى الغلاف الأيوني. تتميز الخواص الكهربائية للأيونوسفير بتركيز الشحنات الحرة - عدد الأيونات والإلكترونات لكل وحدة حجم (1 متر مكعب). يعتمد تركيز الشحنات على الوقت من العام (أكثر في الصيف منه في الشتاء) والوقت من اليوم (خلال النهار أكثر منه في الليل). مع زيادة النشاط الشمسي والإشعاع الكوني، تحدث تغيرات حادة في التأين (العواصف المغناطيسية).

يختلف تركيز الأيونات والإلكترونات في الغلاف الأيوني على ارتفاعات مختلفة، ويمكن تمييز عدة طبقات ذات تركيز متزايد من الأيونات:

الطبقة السفلى D على ارتفاع 60...90 كم بتركيز يصل إلى 10 9 /م 3 . تتشكل الطبقة D أثناء النهار، وتختفي الطبقة D في الليل؛

الطبقة E على ارتفاع 120...150 كم بتركيز يصل إلى 10 11 /م 3 أيام حتى 10 10 / م 3 بالليل؛

الطبقة F على ارتفاع 180...400 كم بتركيز يصل إلى 10 12 /م 3 بعد الظهر وحتى الساعة 10 11 /م 3 بالليل.

عندما تنتشر موجات الراديو بين سطح الأرض والأيونوسفير، تفقد طاقتها بسبب تفاعل المجال الكهرومغناطيسي مع حاملات الشحنة الحرة. يعتمد فقدان الطاقة لموجة الراديو على الطول الموجي (التردد).

عند نشر موجات الراديو، من الضروري النظر بشكل منفصل في موجات الراديو المنتشرة على طول سطح الأرض (السطحية أو الأرضية) وموجات الراديو التي تدخل الغلاف الأيوني وتنعكس منه (المكانية أو الأيونوسفيرية).

تكون خسائر الموجات الأرضية بسبب الاختراق الجزئي للأرض أكبر، كلما كان طول الموجة أقصر، أي. كلما ارتفع التردد.

كلما زاد الطول الموجي، زادت خسائر الموجات المكانية، أي. كلما انخفض التردد.

عندما تدخل موجات الراديو إلى طبقات الأيونوسفير فإنها تنعكس عنها أو تنكسر، وتعتمد إمكانية انعكاسها على درجة تأين الأيونوسفير وترددها وزاوية سقوط الموجة. الحد الأقصى للتردد الذي يمكن أن ينعكس من الطبقة المتأينة عندما يسقط عموديًا على حدودها يسمى التردد الحرج ويتم تحديده بالتعبير fcr = 9ÖN،حيث N هو تركيز الشحنات الحرة.

3.2.2. ميزات انتشار موجات الراديو ذات النطاقات المختلفة

اعتمادًا على ظروف الانتشار، تنقسم الموجات الراديوية إلى نطاقات:

__________________________________________________________________

نطاق تردد الطول الموجي

________________________________________________________________________________

طويل جدًا (VLO)> 10000 م<30 кГц ОНЧ (VLF)

طويل (LW) 10000...1000 م 30...300 كيلو هرتز تردد منخفض (LF)

متوسط ​​(MF) 1000...100 م 300...3000 كيلو هرتز MF (MF)

قصير (HF) 100...10 م 3...30 ميجا هرتز HF (HF)

فائق القصر (VHF)<10 м >30 ميجا هرتز

متر 10...1 م 30...300 ميجا هرتز (VHF)

ديسيمتر 100...10 سم 300...3000 ميجا هرتز UHF (UHF)

سنتيمتر 10...1 سم 3...30 جيجا هرتز ميكروويف (SHF)

ملليمتر 10...1 مم 30...300 جيجا هرتز EHF (EHF)

الانتشار الإذاعي

موجات الراديو - هذه هي الموجات الكهرومغناطيسية، التي يختلف نطاق ترددها ضمن هرتز. يتم تحديد هذا النطاق بشكل مشروط. عادةً ما يتم تصنيف طيف التردد المحدد في النطاقات المقابلة (الجدول 5.1).

الجدول 5.1. تصنيف موجات الراديو حسب المدى.

الحد الأدنى		يتراوح	الحد الأعلى
		موجات الراديو ذات الترددات تحت الصوتية والصوتية
		الموجات الطويلة جدًا (VLW)
		موجات طويلة (LW)
		الموجات المتوسطة (SW)
		الموجات القصيرة (HF)
		الموجات الفائقة القصر:
		متر (بالسيارات)
		ديسيمتر (UHF)
		سنتيمتر (CMV)
		ملليمتر (مم)
		الموجات الضوئية:
		الأشعة تحت الحمراء (ICL)
	(0.75 μ = 7500)	ضوء مرئي
	(0.4 μ = 4000)	الأشعة فوق البنفسجية (UFL)		(0.1 μ = 1000)

غالبًا ما يكون من المناسب التعبير عن تردد موجات الراديو ليس بالهرتز، ولكن بوحدات القياس المشتقة. وتستخدم الوحدات التالية لهذا:

1 ميغاهيرتز (مليهيرتز) =
هرتز،

1 كيلو هرتز (كيلو هرتز) = هرتز،

1 ميجاهيرتز (ميجاهيرتز) = هرتز،

1 جيجا هرتز (جيجا هرتز) = هرتز،

1 هرتز (تيراهيرتز) = هرتز

موضوع دراستنا هو نشر موجات الراديو بحرية. تحت موجات الراديو تنتقل بحرية فهم موجات الراديو التي تنتشر في وسط بدون نظام توجيه. يمكن أن تنتشر الموجات في الغلاف الجوي، بسمك الأرض والمحيطات، ولكن لا يتم استخدام خط نقل على شكل بنية صلبة.

تُستخدم الموجات المنتشرة بحرية في الاتصالات الراديوية والمراقبة الرادارية والتحكم عن بعد وحل العديد من المشكلات العملية الأخرى. وفي كل الأحوال، يتم استخدام خط اتصال يسمى الارتباط الراديوي. رابط الراديو يتضمن ثلاثة مكونات: جهاز إرسال وجهاز استقبال ووسيط تنتشر فيه الموجة. في الوصلات الراديوية ذات الموجات المنتشرة بحرية، يكون الوسط هو البيئة الطبيعية. وفيه تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية من نقطة الإرسال (أ) إلى نقطة الاستقبال (ب). تصنف وصلات الراديو إلى ثلاثة أنواع:

أبسط رابط راديو.

خط اتصالات تتابع الراديو.

رابط الراديو الثانوي

دعونا ننظر في خصائص كل وصلة راديوية من الأنواع المحددة.

أبسط خط يحتوي على جهاز إرسال واستقبال موجود في طرفيه (الشكل 5.1).

الشكل 5.1 أبسط رابط راديوي:

A هو المرسل، B هو المتلقي.

ويبين الشكل 1.5 أن الإشارة تترك نقطة الإرسال A وتصل إلى نقطة الاستقبال B بسبب الانعكاس من الطبقة الأيونوسفيرية، أي أن نوع مسير القفزة الواحدة موضح بشكل تخطيطي.

ومع ذلك، ليس من الممكن دائمًا ضمان التواصل باستخدام أبسط الخطوط. غالبًا ما تكون التضاريس معقدة ويمكن أن تصل الإشارة إلى وجهتها من خلال محطات الترحيل المتوسطة (البث). ويبين الشكل 5.2 رسمًا تخطيطيًا لذلك خط اتصالات تتابع الراديو .

الشكل 5.2 خط اتصال مرحل الراديو:

و في- المحطات الطرفية؛
- محطات وسيطة.

يمكن اعتبار كل قسم من خط اتصال مرحل الراديو بمثابة خط اتصال بسيط.

كثيرا ما تستخدم للبحث العلمي خطوط الاتصال الثانوية , حيث يتم تشعيع الإشارة قيد الدراسة بواسطة جسم غريب (نيزك، سحابة مطر، إلخ)، مما يؤدي إلى تشتت موجة الراديو. ومن بين موجات الراديو المتناثرة ستكون هناك موجة تصل إلى جهاز الاستقبال (الشكل 5.3).

الشكل 5.3 الوصلة الراديوية الثانوية:

أ- المرسل، ب- المستقبل، ج- الجسم المشعع.

يمكن تصنيف موجات الراديو حسب كيفية انتشارها. يتيح لنا هذا التصنيف التمييز بين الأنواع التالية من الموجات.

انتشار الموجات بحرية – وهي موجات يكون مسارها قريبًا من المسارات المستقيمة.

موجات الارض – وهي موجات تنتشر على مقربة من سطح الأرض. وتسمى الموجات الأرضية أيضًا بالموجات السطحية. فهي قادرة على الانحناء جزئيًا حول سطح الأرض بسبب ظاهرة الحيود.

موجات التروبوسفير – هذه هي الموجات التي تنتشر عبر مسافات كبيرة (تصل إلى ≈ 1000 كم) بسبب تشتتها في طبقة التروبوسفير والعمل الموجه (الدليل الموجي) لطبقة التروبوسفير. تذكر أن طبقة التروبوسفير هي الطبقة السفلى من الغلاف الجوي. الحد العلوي للتروبوسفير يتوافق مع ≈ 15 كم، والسمة المميزة لمثل هذه الحدود هي درجة الحرارة الثابتة، أي. غراد T = 0. تنشر الموجات التروبوسفيرية موجات طولها الموجي lect<10 м.

موجات الغلاف الحيوي - وهي موجات تنتشر عبر مسافات طويلة وتدور حول الكرة الأرضية بسبب الانعكاسات المتعددة من طبقة الأيونوسفير. تنتشر الموجات الأيونوسفيرية إذا كان طول موجتها >10 م، أي. تشمل الموجات الأيونوسفيرية موجات ذات نطاقات HF وSW وLW وVLF. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن الموجات المترية يمكن أن تنتشر أيضًا كموجات أيونوسفيرية - بسبب التشتت الناتج عن المخالفات الأيونوسفيرية والانعكاسات من مسارات النيزك.

5.2. انتشار موجات الراديو في الفضاء الحر

دع باعثًا نقطيًا يوضع في الفضاء الحر (وسط متجانس غير ممتص مع ε=1,μ=1)، حيث يتم توفير الطاقة له . مثل هذا المبرد يبعث الطاقة بشكل موحد في جميع اتجاهات الفضاء، وسطح موجة موجة الانتشار هو سطح كروي (الشكل 5.4).

الشكل 5.4. جبهة موجة كروية من باعث نقطة

بعد أن تبدأ الموجة في الانبعاث، سيكون لنصف قطر الجبهة الكروية قيمة ص. عندما تنتشر الموجة، فإنها تنقل الطاقة، والتي يتم تحديد كثافة تدفقها عبر وحدة مساحة لكل وحدة زمنية (معامل ناقل بوينتنج) بواسطة الصيغة:

, , (5.1)

أين ص – نصف قطر موجة كروية.

متوسط ​​كثافة تدفق الطاقة خلال فترة زمنية تتحدد من الصيغة:

, , (5.2)

أين - القيمة الفعالة لشدة المجال الكهربائي، - القيمة الفعالة لشدة المجال المغناطيسي.

يتم التعبير عن العلاقة بين القيم الفعالة لشدة المجال الكهربائي والمغناطيسي بالصيغة:

(5.3)

أين - مقاومة الموجة للمساحة الحرة، كما هو معروف،
أوم.

بناءً على الصيغتين (5.2، 5.3)، يمكننا أن نكتب لمعامل متجه بوينتنج:

, . (5.4)

في حالتنا نحن نتحدث عن نفس عملية إشعاع الطاقة الكهرومغناطيسية بواسطة مصدر نقطي، لذلك بناءً على (5.1) و (5.4) نكتب المساواة:

. (5.5)

من المساواة (5.5) نحدد:

(5.6)

أين - الطاقة الموردة للباعث، ص – مسافة، - القيمة الفعالة لشدة المجال الكهربائي.

في الظروف الحقيقية، تستخدم الطرق عند نقاط الإرسال هوائيات مصممة لتركيز الطاقة المشعة في اتجاه معين، أي. بمثابة موجات الإشعاع الموجهة. لمراعاة الخصائص الاتجاهية للهوائي، تم تقديم معلمة - معامل الاتجاه (DA)، الذي يعبر عن درجة الاتجاهية. دعونا نشير إلى عامل الكفاءة بالرمز D. وسيتم تزويد جميع المعلمات المتعلقة بأجهزة الإرسال بفهرس 1 ، لأجهزة الاستقبال - حسب الفهرس 2 . على سبيل المثال، سيتم الإشارة إلى الطاقة المقدمة إلى هوائي الإرسال عند نقطة الإرسال بالرمز P 1، وسيكون معامل الاتجاه الخاص بها هو D 1. وستكون التسميات المقابلة لهوائي الاستقبال هي P 2، D 2.

دعونا نحدد جوهر مفهوم CND. لنفترض أن هناك هوائيين قريبين: اتجاهي أومتعددة الاتجاهات في. يوضح الشكل 5.5 بشكل تخطيطي أنماط الإشعاع لكلا الهوائيين.

الشكل 5.5. الأنماط الاتجاهية للهوائيات الاتجاهية (A) والخواص المتناحية (B).

دع نفس الطاقة يتم توفيرها لكلا الهوائيين . ومن الواضح أنه عند نقطة استقبال تقع على مسافة بعيدة بما فيه الكفاية r 0 وهي نفسها في كلتا الحالتين، ستكون شدة المجال القادمة من هوائي اتجاهي أكبر مقارنة بهوائي شامل الاتجاهات. ويرجع ذلك إلى تركيز الطاقة بواسطة الهوائي الاتجاهي في الاتجاه المطلوب. من أجل الحصول على نفس شدة المجال، ولكن من باعث متناحٍ (هوائي متعدد الاتجاهات)، من الضروري زيادة الطاقة ، متصل بالهوائي.

معامل الاتجاه (LP) يوضح عدد المرات التي يلزم فيها زيادة الطاقة المقدمة إلى باعث متناحٍ من أجل الحصول على نفس شدة المجال عند نقطة الاستقبال كتلك التي تم إنشاؤها بواسطة هوائي اتجاهي.

LPC هي كمية بلا أبعاد. وفيما يلي سوف نبين أن الكفاءة تقاس بالديسيبل (ديسيبل). ومع مراعاة اتجاهية هوائي الإرسال، فإن صيغة القيمة الفعالة لشدة المجال سوف تتخذ الشكل التالي:

, . (5.7)

ويتم العثور على قيمة اتساع شدة المجال الواصلة إلى نقطة الاستقبال وفقًا لذلك:

, . (5.8)

القيمة اللحظية لشدة المجال الكهربائي، أي. يتم تحديد قيمة الحقل المستلم عند نقطة زمنية محددة بواسطة:

,,(5.9)

أين ص – مسافة،
- رقم الموجة، مع- سرعة الضوء، ω - التردد الدوري، - الطاقة المزوّدة بهوائي الإرسال، -KND لهوائي الإرسال.

يمكن كتابة القيمة اللحظية لشدة المجال الكهربائي في صورة معقدة:

, . (5.10)

في الصيغ المذكورة أعلاه (5.7 - 5.10)، يتم قياس الكميات الفيزيائية في نظام القياس الدولي SI. بالنسبة للحسابات العملية، من الأفضل قياس المسافة بالكيلومترات بدلاً من الأمتار، والطاقة بالكيلووات بدلاً من الواط. لذلك، التعبير عن السلطة بالكيلووات
، مسافة صبالكيلومترات
، نحصل على قوة المجال ، معبراً عنها بالميلي فولت لكل متر (بالسيارات/م). مع الأخذ في الاعتبار وحدات القياس المدخلة، فإن المعامل العددي في صيغ شدة المجال سيغير قيمته. لذلك، لإجراء حسابات عملية للقيمة الفعالة لانتشار الموجات الراديوية في الفضاء الحر عند شدة المجال الكهربائي، نستخدم الصيغة:

, . (5.11)

بالنسبة لقيمة سعة شدة المجال الكهربائي، سوف تأخذ الصيغة الشكل:

, . (5.12)

وحدات قياس الكميات الفيزيائية المتضمنة في الصيغ (5.11)، (5.12) مكتوبة على شكل مؤشرات. توجد هوائيات الإرسال والاستقبال على سطح مستو من الأرض على مسافة r من بعضها البعض. لنعرض أبسط مسار راديوي في شكل رسم تخطيطي (الشكل 5.6)

الشكل 5.6. مخطط أبسط طريق الراديو.

من الضروري تحديد قيمة الطاقة الموردة لمدخل جهاز الاستقبال. من الواضح أنه لتحديد القدرة المطلوبة، من الضروري معرفة حجم متجه Poynting الذي يصل إلى فتحة هوائي الاستقبال
وتأخذ في الاعتبار مساحة فتحة الهوائي التي يتم من خلالها "جمع" كل طاقة الموجة الواردة. دعونا أولا نقدم هذا المفهوم منطقة الهوائي الفعالة
, والتي يتم تحديدها في تكنولوجيا تغذية الهوائي بالصيغة:

(5.13)

أين -KND لهوائي الاستقبال، λ - الطول الموجي. كثافة تدفق الطاقة التي تدخل فتحة الهوائي
سنحدد بناءً على الصيغة (5.1)، أي.

ثم يتم تحديد الطاقة الموردة لإدخال جهاز الاستقبال عن طريق:

,
. (5.14)

عند تصميم الوصلات الراديوية، من المناسب استخدام مفهوم فقدان الطاقة الذي يحدث أثناء الانتشار. يتم تحديد خسائر الطاقة بالصيغة:

(5.15)

أين هو المؤشر شارع.يشير إلى أننا نتحدث عن خسائر الانتشار في المساحة الحرة. دعونا نستبعد تأثير الهوائيات، أي. هيا نضع
(كلا الهوائيات عبارة عن مشعات متناحية). ثم من الصيغة (5.15) نحصل عليها الخسائر الرئيسية الطاقات المرتبطة حصريًا بالانتشار في الفضاء الحر.

(5.16)

عادة ما يتم التعبير عن خسائر الطاقة بالديسيبل (ديسيبل) بناءً على الصيغة:

وهكذا نحصل على الصيغة

يتضح من الصيغة (5.17) أن اتجاهية هوائي LPC يتم التعبير عنها بالديسيبل. في الحسابات العملية، يمكن التعبير عن أي نسبة رياضية بالديسيبل. للحصول على الكفاءة المعبر عنها بالديسيبل، ينبغي استخدام الصيغة:

ديسيبل، (5.18)

أين - قوة تساوي واحد واط أي . =1 واط. ثم الموقف وتبين أنها كمية بلا أبعاد.

دعونا نفكر مثال.

تحديد حجم الخسائر الرئيسية أثناء انتشار الموجة الكهرومغناطيسية في الفضاء الحر في الحالات التالية:

أ) الطول الموجي
م والمسافة بين نقاط الاتصال ص=10 كم؛

ب) الطول الموجي
سم والمسافة بين نقاط الاتصال ص=
كم.

حل: لتحديد حجم الخسائر الرئيسية نستخدم الصيغ

وأظهرت الحسابات القيم التالية للخسائر الرئيسية:

أ) =39.3 أو = 15.9 ديسيبل؛

ب) =
أو =252 ديسيبل.

من القيم التي تم الحصول عليها نستنتج أن المقياس اللوغاريتمي أكثر ملاءمة للاستخدام، لأنه لديها حدود أصغر بكثير لتغيير القيم.

عندما تنتشر موجات الراديو في ظروف حقيقية، يتم امتصاص طاقة الموجة وتحدث خسائر أخرى. على سبيل المثال، في عملية انتشار موجة الأرض، تحدث الخسائر بسبب الاختراق الجزئي للموجة في سمك سطح الأرض. لذلك، لمراعاة ضعف مجال موجة الراديو في الظروف الحقيقية، يتم تقديم عامل التوهين F. في هذه الحالة، يتم حساب القيمة الفعالة لشدة المجال عند نقطة الاستقبال باستخدام الصيغة:

, , (5.19)

أين F- عامل التوهين، ص- المسار الذي تقطعه الموجة من نقطة الإرسال إلى نقطة الاستقبال. وبذلك يمكننا تحديد القيمة الفعالة لشدة المجال عند نهاية الوصلة الراديوية إذا عرفنا قيمة عامل التوهين. مشكلة تحديد عامل التوهين F هو العامل الرئيسي عند تصميم خطوط الراديو.

لحساب أي أثر، من الضروري تحديد طريقة حساب عامل التوهين بشكل صحيح. سننظر في المستقبل في بعض الطرق لحساب المسارات الراديوية.

تُستخدم موجات الراديو التي تنشرها الموجات الأرضية على نطاق واسع. قبل أن تبدأ بدراسة طريقة حساب عامل التوهين F لمثل هذه الروابط الراديوية، دعونا ننتبه إلى ميزات سطح الأرض.

5.3. حساب المعلمات الكهروديناميكية لسطح الأرض

يحدث انتشار موجات الراديو الأرضية مباشرة بالقرب من السطح، وهو متنوع للغاية. يمكن أن يكون هذا سطح البحر، أو الصحراء، أو الغابة، أو المدينة المبنية، وما إلى ذلك. من وجهة نظر الديناميكا الكهربائية، تتميز أي وسيلة بثبات العزل الكهربائي النسبي ε، والنفاذية المغناطيسية النسبية μ والموصلية المحددة σ. يوضح الجدول 5.2 قيم المعلمات الكهربائية لأنواع مختلفة من سطح الأرض.

الجدول 5.2 المعلمات الكهربائية لأنواع مختلفة من سطح الأرض

من الجدول 5.2 يمكن ملاحظة أن المعلمات الكهروديناميكية للوسط ε و σ تعتمد على الطول الموجي (التردد) للنطاق المستخدم. عندما تنتشر موجات الراديو، يُطرح السؤال التالي: من حيث الخصائص الموصلة، ما نوع الوسط الموجود تحت السطح؟ وكما هو معروف، يتم تصنيف جميع الوسائط حسب خصائصها الموصلة إلى موصلات وعوازل وأشباه موصلات. يمكن صياغة السؤال محل الاهتمام على النحو التالي: ما هو السطح الأساسي المحدد لموجة الراديو: موصل أم عازل أم شبه موصل؟

سنجد إجابة السؤال المطروح باستخدام معادلة ماكسويل الأولى، والتي تكون لها الصورة بالنسبة للوسط شبه الموصل:

.

لنفترض أن شدة المجال الكهربائي تتغير وفق قانون توافقي في الصورة
دعونا نعبر عن شدة المجال الكهربائي من خلال المشتق الزمني:

أستعاض في معادلة ماكسويل الأولى نحصل على

(5.20)

وكما هو معروف، فإن معادلة ماكسويل للوسط العازل لها الصيغة:

(5.21)

بمقارنة المعادلتين (5.20) و (5.21)، نلاحظ أنه يمكننا إدخال النفاذية المعقدة المطلقة في الصورة

, (5.22)

الذي يلعب دور ثابت العزل الكهربائي للوسط شبه الموصل.

في الحسابات، من الملائم استخدام ثابت العزل الكهربائي النسبي، والذي تحدده الصيغة

أو يمكنك الكتابة

, (5.23)

حيث σ هو الطول الموجي، ε هو ثابت العزل الكهربائي النسبي، σ هي الموصلية المحددة.

تذكر أنه يتم تحديد كثافة تيار التحيز بواسطة
، كثافة التوصيل الحالية
.

عندما تنتشر موجة راديوية على سطح معين من الأرض، فمن الضروري معرفة كثافات التيار (الإزاحة أو الموصلية) السائدة فيها. دعونا نجد العلاقة

، أو

(5.24)

بناءً على (5.24) يمكن تصنيف نوع السطح الأساسي على النحو التالي:

وبالتالي، من أجل معرفة السطح الذي تنتشر فيه موجات الراديو، من الضروري مقارنة ε و60σ.

حساب المسار الراديوي VHF بواسطة الموجة الأرضية على سطح الأرض المسطح

يتم استخدام أبسط طريقة لحساب المسار الراديوي في حالة انتشار الموجات الراديوية على مسافات قصيرة بين نقطتي الإرسال والاستقبال. نحن نفترض أن سطح الأرض مسطح وموحد طوال المسار. دعونا ندرس طريقة حساب مثل هذا المسار لنطاق الموجات المترية (VHF) الذي تستخدم فيه الهوائيات المرتفعة.

هوائي مرفوع - هذا هوائي لا يشع فيه مسار التغذية (التغذية) وتتناسب عدة أطوال موجية مع ارتفاع الهوائي.

لنفكر في المسار الذي يظهر مخططه في الشكل 5.7.

الشكل 5.7. مخطط مسار راديو VHF.

دع الهوائي عند نقطة الإرسال A يُرفع إلى ارتفاع عند نقطة الاستقبال B – إلى الارتفاع . اقترح B.A. Vvedensky في عام 1922 أنه في موقع الاستقبال يمكن اعتبار المجال الكهرومغناطيسي بمثابة تداخل بين شعاعين: مباشر 1 وينعكس من الأرض 2 . تكون الأشعة القادمة من مصدر واحد متماسكة، وبالتالي، عند النقطة B، سوف يتداخل الشعاعان 1 و 2 مع بعضهما البعض.

نحسب القيمة الفعالة لشدة المجال من الصيغة المعروفة:

, .

تكمن المشكلة في إيجاد عامل التوهين F.

يتم تحديد شدة المجال اللحظية للحزمة المباشرة بواسطة:

, , (5.25)

قيمة شدة المجال اللحظية للحزمة المنعكسة:

, , (5.26)

أين - معامل الانعكاس المعقد، - قيمة المسار الذي يقطعه الشعاع المنعكس، ∆ص- فرق المسار بين الحزمة المباشرة والحزمة المنعكسة. علاوة على ذلك

سنضع القيود التالية:

مع الأخذ في الاعتبار الافتراضات المقدمة، نجد القيمة اللحظية لشدة المجال الناتجة عند النقطة B

, , (5.27)

أين
- زاوية تغير الطور عند الانعكاس،
- انزياح الطور بسبب اختلاف مسار الأشعة المباشرة والمنعكسة.

في الصيغة (5.27) نقوم بتحويل العامل بين قوسين مربعين:

أين

ثم الصيغة (5.27) مع مراعاة التحويل تأخذ الشكل:

.(5.28)

مقارنة الصيغة (5.28) بالصيغة
نستنتج أن عامل التوهين F يتحدد بالمساواة:

(5.29)

حيث R هو معامل الانعكاس، Θ هي مرحلة معامل الانعكاس،
- إزاحة الطور بسبب اختلاف المسار بين العوارض.

يتم تحديد القيمة الفعالة لشدة المجال الناتجة بواسطة الصيغة:

.(5.30)

تتضمن هذه الصيغة ثلاث كميات غير معروفة: R هو معامل معامل الانعكاس، Θ هي زاوية تغير الطور أثناء الانعكاس،
- اختلاف مسارات الأشعة .

من المعروف من الديناميكا الكهربائية أنه يمكن تحديد R و Θ إذا كنت تعرف زاوية الانزلاق γ (الشكل 5.7). يمكن إثبات أن زاوية الانزلاق يتم تحديدها بواسطة:

, (5.31)

أين
- ارتفاعات الهوائي، r - المسافة بين نقطتي الإرسال والاستقبال.

اختلاف السكتة الدماغية
يتم تحديده من خلال التعبير

.(5.32)

ومن الصيغة (4.38) يتضح أن عامل التوهين هو قيمة متغيرة. في حالة الوظيفة
=1، قيم مضاعف التوهين هي الحد الأقصى
; لو
=-1 ، فإن عامل التوهين يأخذ أيضًا قيمًا دنيا
. وهذا يدل على أن اسم عامل التوهين مشروط. ويبين الشكل 5.8 اعتماد عامل التوهين على المسافة.

الشكل 5.8. اعتماد عامل التوهين على المسافة عند قيمة محددة لمعامل الانعكاس.

في كثير من الحالات، يمكن تبسيط الصيغة (5.29). وهكذا، عند القيم الصغيرة لزاوية الرعي γ لمعظم أنواع سطح الأرض، يمكن أخذ معامل الانعكاس
وزاوية تغير الطور عند الانعكاس
.

أخذ القيم المحددة
و
، بعد تحويل عامل التوهين، يمكنك الحصول على الصيغة المحولة لعامل التوهين F:

. (5.33)

الصيغة (5.33) تميز بنية التداخل في المجال. تغيير المسافة ص، كما يتبين من الصيغة (5.33)، يؤدي إلى تناوب القيم القصوى والدنيا للجيب. من الممكن تحديد هذه المسافات ص، أين
يأخذ مضاعف التوهين القيم القصوى أو الدنيا فقط.

يصل عامل التوهين F إلى قيمه القصوى على المسافات

, (5.34)

أين ن=0,1,2,… يتم ملاحظة الحد الأقصى الأول من مسافات كبيرة، أي.

يتم تحقيق القيمة الدنيا لعامل التوهين F على المسافات:

. (5.35)

يقع الحد الأدنى الأول على مسافة
من الارسال.

ومن الصيغة (5.35) يتضح أن القيمة القصوى لعامل التوهين تقابل
، الحد الأدنى -
. ويبين الشكل 5.9 رسماً بيانياً لعامل التوهين F كدالة للمسافة عند R=1.

الشكل 5.9. اعتماد عامل التوهين على المسافة ر=1.

تسمى الصيغ لحساب شدة المجال عند نقطة الاستقبال صيغ التداخل .

حساب المسارات الراديوية لنطاقات SW وDV وVLF عند انتشارها بواسطة الموجات الأرضية

من الواضح أنه بالنسبة لنطاقات الموجات SW وLW وVLF، فإن طريقة الحساب المذكورة أعلاه غير مقبولة. بالنسبة لمثل هذه النطاقات، تم تطوير طريقة حساب مختلفة، مع الأخذ في الاعتبار السمات الأساسية المميزة للنطاقات المدرجة. ما هي هذه الميزات؟

لقد ثبت أن النطاقات المذكورة أعلاه تتميز بالميزات التالية:

1) عند التشغيل في النطاقات MF وLW وVLF، يتم استخدام الهوائيات الموجودة بالقرب من سطح الأرض؛

2) في النطاقات المذكورة، تنتشر الموجة الأرضية على سطح الأرض، والتي لها خصائص موصلة، لأن عدم المساواة يحمل ε << 60λσ. وفي هذه الحالة، لا يمكن للموجة أن تنتشر على سطح الأرض، وبالتالي فإن كل طاقة الموجة تنتشر في نصف الكرة العلوي. ونتيجة لذلك، يتضاعف معامل ناقل Poynting، وتزداد شدة المجال
. في هذه الحالة، يتم تحديد القيمة الفعالة لشدة المجال لنطاقات MF وLW وVLF بواسطة الصيغة

(5.36)

تسمى الصيغة (5.36). صيغة انتقال مثالية أو صيغة شوليكين فان دير بول.

دعونا نفكر في طريقة لحساب القيمة الفعالة لشدة المجال عند نقطة الاستقبال B، مع وجود الهوائيات بالقرب من سطح الأرض (الشكل 5.10).

الشكل 5.10. مخطط المسار الراديوي للموجة الأرضية لنطاقات SV-VHF.

عند نقطة الإرسال A، يقع هوائي الإرسال مباشرة على سطح الأرض. على طول سطح مع ثابت العزل الكهربائي ε والموصلية σ ، تنتشر موجة كهرومغناطيسية. لحساب شدة المجال باستخدام الصيغة (5.36)، من الضروري تحديد عامل التوهين.

وعامل التوهين F هو دالة للمعلمة عديمة الأبعاد سوالتي تسمى المسافة الرقمية ويتم تحديدها من خلال:

(5.37)

أين ص- المسافة بين نقاط الإرسال والاستقبال، س- مقياس المسافة، - ثابت العزل الكهربائي المعقد للسطح الأساسي،
.

بالتعويض عن قيمة ثابت العزل المركب النسبي، نحصل على القيمة من الصيغة (5.37). س:

. (5.38)

اعتمادا على نوع السطح يمكن تعديل الصيغة (5.38). يوضح الجدول 5.3 أنواعًا معينة من الأسطح وصيغ حساب المسافة الرقمية المقابلة لكل منها س.

الجدول 5.3. صيغ لحساب المسافة العددية س لأنواع مختلفة

سطح الأرض.

في الصيغ الحسابية المحددة س(الجدول 5.3) من الضروري استبدال قيم كميات المدخلات المقاسة في نظام SI الدولي. وبعد تحديد القيمة العددية س, ابحث عن عامل التوهين F باستخدام الرسوم البيانية لبوروز الموضحة في الشكل. 5.11.

يظهر محور الإحداثي القيم 2x، على طول الإحداثي - عامل التوهين F. تظهر الرسوم البيانية لعامل التوهين لنوعين من الاستقطابات: عمودي وأفقي مع معلمات مختلفة Q. تحدد المعلمة Q نسبة كثافة تيار التحيز إلى كثافة تيار التوصيل
. من الشكل 5.11 يتضح أنه عند القيم الصغيرة Xجميع المنحنيات تميل إلى القيمة F=1 . للقيم س>25دمج منحنيات الاعتماد على عامل التوهين.

إذا عند الحساب إذا لم يكن لديك رسوم بيانية لبوروز في متناول اليد، فيمكن حساب عامل التوهين F باستخدام الصيغة التقريبية

(5.39)

أين X- المسافة الرقمية.

إذا كانت القيمة س>25،ثم تأخذ الصيغة (5.39) الشكل:

(5.40)

يمكن استخدام صيغة Shuleikin-van der Pol على مسافات قصيرة من الوصلات الراديوية، عندما يمكن إهمال تأثير الأرض.

أتاحت مقارنة نتائج البيانات التجريبية والحسابات النظرية تحديد القيم التقريبية للمسافات القصوى التي ينطبق عليها الحساب باستخدام Shuleikin-van der Pol. ويبين الجدول 5.4 قيم المسافة هذه.

الجدول 5.4. الحد الأقصى للمسافات التي تنطبق عليها الطريقة

شوليكين فان دير بول.

وبالتالي، لحساب المسار الراديوي لنطاقات الموجات SW وDV وVLF، يتم استخدام طريقة Shuleikin-van der Pol.

السؤال الذي يطرح نفسه: ما هي المسافات التي يمكن أن تنتشر بها موجات الأرض؟ تحت أي ظروف ينبغي استخدام طرق حساب الموجة الأرضية؟ للإجابة على الأسئلة المطروحة لا بد من إقامة علاقة كمية، أي علاقة كمية. شرط الحدود لتطبيق الأساليب. دعنا ننتقل إلى دراسة السؤال المطروح من خلال إيجاد مسافة خط البصر.

تحديد مسافة خط البصر

مسافة خط البصر - هي المسافة بين نقطة إرسال واستقبال الموجات الراديوية، والتي يحددها طول المماس الذي يصل بين هذه النقاط.

يوضح الشكل 5.12 خط مسافة الرؤية

الشكل 5.12. رسم تخطيطي لحساب مسافة خط البصر.

يشار إلى نصف قطر الأرض أ=6370 كمالنقطة C هي نقطة تماس الخط المستقيم AB على الأرض. يشار إلى ارتفاع هوائي الإرسال ، استقبال ارتفاع الهوائي . المسافات AC و CB هي أرجل المثلثات القائمة ∆АСО و ∆ОСВ.

وهكذا يتم تحديد مسافة خط البصر

أين أ- نصف قطر الأرض، ,- ارتفاعات الهوائي .

يتم قياس الكميات المدرجة في الصيغة (5.41) في نظام SI. من الناحية العملية، من الملائم قياس نصف قطر الأرض بالكيلومترات. في هذه الحالة تأخذ الصيغة (5.41) الشكل التالي:

,كم(5.42)

نؤكد أن الصيغة (5.42) تسمح لك بحساب مسافة خط البصر بالكيلومترات. قيمة مسافة خط البصر
يسمح لنا بتحديد شرط قابلية تطبيق طرق حساب المسارات الراديوية باستخدام الموجات الأرضية.

إذا كان طول مسار الراديو
ومن ثم نطبق طريقة حساب مسار الموجة الأرضية لمدى الموجة المقابل. إذا كانت المسافة صالواردة في
، فإن هذه المنطقة تسمى منطقة الظل الجزئي. لو ص>1,2
، فتسمى هذه المنطقة منطقة الظل. لحساب مسار يقع طوله في منطقة الظل والظل، نطبق طريقة الحيود في الحساب، لأن تنحني الموجات حول سطح الأرض.

ومن المثير للاهتمام انتشار موجات الراديو في الطبقة السفلى من الغلاف الجوي - التروبوسفير، والتي بدأنا الآن في دراستها.

تأثير طبقة التروبوسفير على انتشار الموجات الأرضية

التروبوسفير – هذه هي الطبقة السفلى من الغلاف الجوي. تمتد حدود طبقة التروبوسفير في خطوط العرض القطبية إلى ارتفاع 8-10 كم، في المناطق الاستوائية - إلى 16-18 كم. تتمتع طبقة التروبوسفير بتركيبة هواء نسبية ثابتة (فقط محتوى بخار الماء، اعتمادًا على الظروف الجوية، يتناقص بشكل حاد مع الارتفاع).

وأهم خاصية في طبقة التروبوسفير هي انخفاض درجة الحرارة مع الارتفاع، ويبلغ متوسط ​​التدرج في درجة الحرارة 5 درجات/كم. ويعود انخفاض درجة الحرارة مع الارتفاع إلى أن طبقة التروبوسفير تكاد تكون شفافة بالنسبة لأشعة الشمس، فتنقل الأشعة التي تعمل على تسخين سطح الأرض. إن سطح الأرض الساخن، كونه مصدرا للإشعاع الحراري، يسخن طبقة التروبوسفير من الأسفل إلى الأعلى.

بالنسبة لطبقة التروبوسفير، تم تقديم هذا المفهوم التروبوسفير العادي ، أي. التروبوسفير مع المعلمات التي تعبر عن حالته المتوسطة. تُنسب المعلمات التالية إلى طبقة التروبوسفير الطبيعية: يكون الضغط عند سطح الأرض P = 1013 ملي بار، درجة حرارة
, رطوبة الهواء النسبية S=60%. تعتبر طبقة التروبوسفير عبارة عن خليط من الغازات: الهواء الجاف وبخار الماء.

يتم وصف حالة طبقة التروبوسفير من خلال معامل انكسار طبقة التروبوسفير، والذي يساوي في طبقة التروبوسفير العادية ن=1,000325 . يمكن ملاحظة أن هذه القيمة غير ملائمة للاستخدام (يتم تغيير الأرقام الثلاثة الأخيرة فقط)، لذلك تم تقديم معامل الانكسار، والذي يتم تحديده من خلال العلاقة:

, (5.43)

أين ن- معامل الانكسار.

معامل الانكسار لطبقة التروبوسفير العادية هو، أي. ن=325.

يعتمد معامل الانكسار، على التوالي، ومعامل الانكسار على حالة طبقة التروبوسفير. لموجات أطول π> 0.1 ملميتم التعبير عن معامل الانكسار بالصيغة

(5.44)

أين ت- درجة حرارة، ر- ضغط، ه- رطوبة الهواء المطلقة.

يتغير معامل الانكسار، كما يتبين من الصيغة (5.44)، مع الارتفاع، لأن تغيرات في درجة الحرارة والضغط وبخار الماء. بالنسبة لطبقة التروبوسفير العادية، يكون تدرج معامل الانكسار هو
,. للحسابات العملية استخدم القيمة

ويجب اعتبار طبقة التروبوسفير وسيلة عازلة غير متجانسة، أي معامل الانكسار نوالتي (والتي تعني سرعة انتشار موجات الراديو) تتغير مع الارتفاع. لأن بما أن طبقة التروبوسفير عبارة عن وسط غير متجانس ذو معامل انكسار متغير، فيمكن اعتباره مجموعة من طبقات الهواء المسطحة. كل طبقة لها قيمة معامل الانكسار الخاصة بها. بالنسبة للطبقتين المتجاورتين، ستكون معاملات الانكسار مختلفة. في هذه الحالة، ستحدث ظاهرة انكسار الموجات الكهرومغناطيسية عند السطح البيني بين الوسطين (الشكل 5.13).

الشكل 5.13. مخطط انكسار الموجات الراديوية عند السطح البيني بين وسطين

وبناء على ظاهرة الانكسار، فإن الموجة سوف تنحرف عن الانتشار في خط مستقيم. نتيجة للانكسار، ينحني مسار الموجة. لتوصيف انحناء المسار، تم تقديم المفهوم نصف قطر انحناء المسار ، والذي يتم تحديده

, (5.45)

أين -تدرج معامل الانكسار.

توضح الصيغة (5.45) أن نصف قطر انحناء الحزمة لا يتم تحديده بالقيمة المطلقة لمؤشر الانكسار، ولكن بالمعدل الذي يتغير به مع الارتفاع. تشير صيغة علامة الطرح (5.45) إلى أن نصف قطر الانحناء سيكون موجبًا، أي. يصبح المسار محدبًا لأعلى إذا انخفض معامل الانكسار مع الارتفاع.

بالنسبة لطبقة التروبوسفير العادية، يكون نصف قطر انحناء المسار هو

أعلاه، مع الأخذ في الاعتبار انتشار الموجات الأرضية، فمن المفترض أنها تنتشر في خط مستقيم. وفي الواقع يجب أن تؤخذ في الاعتبار ظاهرة الانكسار التي تؤدي إلى انحراف الشعاع عن الانتشار المستقيم. كيف تأخذ في الاعتبار الانكسار في الظروف الحقيقية لانتشار الموجات الراديوية؟

هناك طريقة مبسطة لمراعاة تأثير الانكسار الجوي. جوهر الطريقة المقترحة هو أنه على الرغم من أن الموجات الكهرومغناطيسية تنتشر فعليًا على طول مسارات منحنية، إلا أننا نفترض أن الانتشار يحدث في خط مستقيم. علاوة على ذلك، فإن موجات الراديو لا تنتشر على سطح الأرض، بل تنتشر على سطح وهمي له نصف قطر مكافئ
(الشكل 5.14).

الشكل 5.14. مسار موجة الراديو: أ - سطح حقيقي؛ ب - سطح وهمي.

دعونا نقدم مفهوم الانحناء النسبي، الذي تم تعريفه
، أين أ- نصف قطر الأرض، ر- نصف قطر انحناء المسار. دعونا نحدد نصف القطر المكافئ
من شرط تساوي الانحناء للحالات أو ب، كما هو موضح في الشكل 5.14، أي. دعونا نكتب المساواة

(5.46)

حيث a هو نصف قطر سطح الأرض، R هو نصف قطر المسار،
- نصف قطر السطح المكافئ، ∞ يعبر عن نصف قطر انحناء الشعاع المستقيم.

ومن المساواة (5.46) نعرب

(5.47)

أو، استبدال نصف قطر انحناء المسار، نحصل عليه

. (5.48)

دعونا نقدم نسبة نصف القطر المكافئ إلى نصف قطر الأرض:

(5.49)

للتروبوسفير الطبيعي
≈8500 كم، ك=4/3.

كيف تأخذ في الاعتبار الانكسار في مسار الراديو؟

بادئ ذي بدء، يؤخذ الانكسار في الاعتبار عند تحديد مسافة خط البصر، وفي هذه الحالة تكون صيغة حساب مسافة خط البصر على الشكل

.(5.50)

بالنسبة للانكسار الجوي الطبيعي، يتم تحديد مسافة خط البصر بواسطة

. (5.51)

وبذلك تتلخص الكميات الفيزيائية الرئيسية التي يؤخذ في الاعتبار الانكسار إلى ما يلي:

كل هذه الكميات تعتمد على تدرج معامل الانكسار والتي تختلف ضمن حدود واسعة إلى حد ما. اعتمادا على قيمة التدرج يتجلى الانكسار بطرق مختلفة، لذلك يتم تصنيف الانكسار إلى ثلاث مجموعات: سلبي، صفر وإيجابي.

الانكسار السلبي – هذا هو الانكسار الذي يزداد فيه تدرج معامل الانكسار، أي. > 0.

الانكسار الإيجابي – هذا هو الانكسار الذي يتناقص عنده تدرج معامل الانكسار، أي. < 0.

الانكسار صفر – هذا هو غياب الانكسار، أي. = 0.

يوضح الجدول 5.5 الخصائص الرئيسية للأنواع المختلفة من الانكسارات.

الجدول 5.5. تصنيف أنواع مختلفة من الانكسار.

ويبين الجدول 5.5 أيضًا مسارات الموجات الراديوية الفعلية والمكافئة. لاحظ أن نظام الانكسار الفائق يحدث في منطقة محدودة من ارتفاعات التروبوسفير، حيث <-0.157 1/م، أي. يتناقص معامل الانكسار بشكل أسرع بكثير من الانكسار الطبيعي.

انتشار الموجات الراديوية في الأراضي الوعرة وفي ظل وجود عوائق

تمت مناقشة طرق حساب المسارات الراديوية التي تمر عبر السطح المستوي للأرض أعلاه. في الظروف الحقيقية، تكون المناظر الطبيعية النموذجية للقارات عبارة عن تضاريس جبلية أو وعرة قليلاً. يتم تحديد درجة وعورة التضاريس من خلال العلاقة بين الطول الموجي وارتفاع التلال . في ظروف التشغيل على النطاقين DV وSV، تكون الأراضي وعرة قليلاً مع تلال عالية
يمكن اعتبار سطح أملس. وفي نطاق الموجات المترية (VHF)، ينبغي اعتبار نفس التضاريس وعرة.

وفي الأراضي الوعرة، تحجب التلال مساحة الفضاء التي ينتشر فيها المجال الكهرومغناطيسي، أي. فهي تحمي منطقة انتشار المجال الكهرومغناطيسي، وبالتالي تسبب تأثير إضعاف الموجة. تتلخص مهمة تصميم خط الاتصال في ترتيب الهوائيات عند نقاط الإرسال والاستقبال بحيث لا يتم عزل طاقة المجال.

تظهر الظروف النموذجية التي يمر بموجبها خط ترحيل الراديو في الشكل. 5.15.

دع نقطة الإرسال تقع عند النقطة A، ونقطة الاستقبال عند النقطة B، والمحطات المجاورة تقع عند نقاط RRL المتوسطة المقابلة لـ C، D. تمثل طاقة الأمواج الموجودة في المنطقة المظللة (الشكل 5.15) منطقة فريسنل.

دعونا نشير بواسطة
المسافات بين التلال، ثم يتم العثور على نصف قطر منطقة فريسنل الأولى فوق النقطتين C و D من الصيغ:

و

يجب اختيار ارتفاعات الهوائيات عند النقطتين A وB بحيث تتجاوز "الخلوصات" فوق التلال C وD القيم و .

ينبغي أن تؤخذ كروية الأرض في الاعتبار في الحسابات. ويمكن القيام بذلك بسهولة أكبر بيانيا. يعتمد البناء على صيغة المدى الأفقي، والتي لها الشكل

(5.52)

الصيغة (5.52) هي معادلة القطع المكافئ على طول المحور السيني Xيتم قياس المسافات على طول المحور الإحداثي ذ- المرتفعات. يتم حساب المظهر الجانبي للسطح الأملس للأرض باستخدام الصيغة:

(5.53)

أين ص- الطول الإجمالي لخط الاتصال.

في الحسابات، من الضروري أن نأخذ في الاعتبار أن الأرض، من وجهة نظر هندسية، هي شكل مكافئ للدوران. ولذلك، لمراعاة انحناء سطح الأرض، من الضروري استخدام شبكة النطاق. في التين. يوضح الشكل 5.16 شبكة مقياس لبناء سطح الأرض.

أرز. 5.16 شبكة مقياس لبناء سطح الأرض

من الضروري تطبيق ملف تعريف مسار الراديو على الشبكة، والذي يمكنك من خلاله تحديد الارتفاعات المطلوبة للهوائيات المستخدمة لتوفير منطقة خط البصر بين النقطتين A وB. مثال على ملف تعريف المسار هذا يظهر في الشكل. 5.17.

أرز. 5.17 مثال على ملف تعريف المسار

في التين. ومن الشكل 17.5 يمكن ملاحظة أن الخط المستقيم AB المرسوم بين نقطتي الإرسال والاستقبال يمر فوق قمم التلال الواقعة في مسار الموجة الراديوية.

انتشار الموجات الراديوية في ظل وجود عوائق درعية في المسار

يجب أن تكون هناك عقبة محددة بوضوح على الطريق بين نقطتي الإرسال والاستقبال. دعونا نفكر في الحالة التي يمكن فيها اعتبار مثل هذه العقبة على شكل عائق غير شفاف على شكل إسفين. في التين. يوضح الشكل 5.18 أمثلة على هذه العوائق التي تنشأ على طريق AB.

أرز. 5.18 أمثلة على موقع العوائق الإسفينية

في التين. 5.18 ألا يعبر العائق الخط AB بشكل مستقيم، بل يقطع فقط أسافين في منطقة الفضاء التي ينتشر فيها الجزء الأكبر من طاقة الموجة. في التين. 5.18b يتقاطع العائق مع الخط المستقيم AB. وللتمييز بين مثل هذه الحالات تم الاتفاق على افتراض المقاصة نسوف تتخذ علامات مختلفة، أي. في حالة الشكل. إزالة 5.18a لها علامة سلبية ن<0 ، في حالة الشكل. 5.18ب – إيجابي ح>0.

وفي حساب المسارات الراديوية لمثل هذه الحالات يتم استخدام نظرية الحيود البصري. يتم حساب عامل التوهين F باستخدام الصيغة

(5.54)

أين
أ
و
- تكاملات فريسنل، ويتم تحديدها وفقًا للصيغ

(5.55)

أين هي المعلمة
ب- نصف قطر منطقة فريسنل الأولى عند موقع العائق، ن- ارتفاع الشاشة، والذي يمكن أن يأخذ قيمًا موجبة وسالبة (الشكل 5.18).

حساب عامل التوهين Fوفقا للصيغ (5.54) يظهر أن الاعتماد على المعلمة الخامسله النموذج الموضح في الشكل 5.19.

إذا كانت المعلمة v>2، فيمكن حساب عامل التوهين باستخدام الصيغة

لحساب المسار الراديوي VHF، ينبغي أن تؤخذ الظروف التالية في الاعتبار. يحدث الحيود عند حافة الشاشة الإسفينية المعتمة. علاوة على ذلك، لا تنحرف الموجة AB المباشرة فحسب، بل تنحرف أيضًا الموجات المنعكسة من سطح الأرض في المناطق الواقعة بين هوائي الإرسال والشاشة. وهكذا، عند نقطة الاستقبال B، تحدث إضافة (تداخل) للموجات الواردة.

من حيث المبدأ، قد يحدث أن تكتسب علاقات الطور قيمًا بحيث تكون شدة المجال في موقع هوائي الاستقبال أعلى بعدة مرات من المجال الناتج عن حزمة واحدة.

لاحظ أن شكل العوائق التي تمت مواجهتها متنوع للغاية ولم يتم حتى الآن إنشاء طرق تحليلية موثوقة لحساب المسارات الراديوية.

بريدوف إم. إم.، روميانتسيف في.، توبتيجين آي إن. الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية. – سانت بطرسبورغ: دار لان للنشر، 2003. – 400 ص.

Golovin O.V.، Chistyakov N.I.، Schwartz V.، Hardon Aguilar I. الاتصالات اللاسلكية. – م: الخط الساخن – الاتصالات، 2001. – 288 ص.

بيتروف ب.م. الديناميكا الكهربائية وانتشار الموجات الراديوية. - م: الإذاعة والاتصالات، 2000. - 559 ص.

بوكوف إل. الديناميكا الكهربائية وانتشار الموجات الراديوية. المجالات والموجات الكهرومغناطيسية. – تومسك: مركز جامعة تومسك للتعليم عن بعد، 2001. – 217 ص.

كريزانوفسكي ف. الديناميكا الكهربائية التقنية. – دونيتسك: دونسو، 2003. – 116 ص.

دولوخانوف م. انتشار موجات الراديو. - م:سفياز، 1972. - 336 ص.

باسكاكوف إس. أساسيات الديناميكا الكهربائية. - م: سوف. الراديو، 1973. - 248 ص.

نيكولسكي في.، نيكولسكايا تي. الديناميكا الكهربائية وانتشار الموجات الراديوية. – م: ناوكا، 1989. – 544 ص.

كراسيوك إن بي، ديموفيتش إن دي. الديناميكا الكهربائية وانتشار الموجات الراديوية. - م: الثانوية العامة 1974. - 536 ص.

فالكوفسكي أو. الديناميكا الكهربائية التقنية. كتاب مدرسي لجامعات الاتصالات. – م: الاتصالات، 1978. – 432 ص.

جولدشتاين إل.دي.، زيرنوف إن.في. المجالات والموجات الكهرومغناطيسية. - م: سوف. الراديو، 1971. - 664 ص.

كوغوشيف إيه إم، جولوبيفا إن إس، ميتروخين في إن. أساسيات الإلكترونيات الراديوية. الديناميكا الكهربائية وانتشار الموجات الراديوية. – م: دار نشر MSTU تحمل اسم N.E. بومان، 2001. – 368 ص.

ديدينكو إيه إن، زفيريف بي.في. الميكروويف - الطاقة. - م: ناوكا، 2000. - 264 ص.

فيلدشتين أ.ل.، يافيتش إل.ر.، سميرنوف ف.ب. كتيب عن عناصر تكنولوجيا الدليل الموجي. – م.ل: دار نشر الطاقة الحكومية، 1963. – 360 ص.

الانتشار الإذاعي

تم إكمال الملخص بواسطة: Anikin S.V.

جامعة ولاية الشرق الأقصى التقنية (سميت FEPI باسم V.V. Kuibyshev)

فلاديفوستوك 2008

مقدمة

تعتبر قوانين انتشار الموجات الراديوية في الفضاء الحر بسيطة نسبيًا، ولكن في أغلب الأحيان لا تتعامل الهندسة الراديوية مع الفضاء الحر، ولكن مع انتشار موجات الراديو فوق سطح الأرض. كما تظهر التجربة والنظرية، يؤثر سطح الأرض بشكل كبير على انتشار موجات الراديو، وعلى كل من الخصائص الفيزيائية للسطح (على سبيل المثال، الاختلافات بين البحر واليابسة) وشكله الهندسي (الانحناء العام لسطح الكرة الأرضية). والتفاوت الفردي في التضاريس - الجبال والوديان) يؤثر وما إلى ذلك.). ويختلف هذا التأثير بالنسبة للموجات ذات الأطوال المختلفة والمسافات المختلفة بين المرسل والمستقبل. تعتمد طرق انتشار موجات الراديو بشكل كبير على الطول الموجي، وعلى إضاءة الشمس للغلاف الجوي للأرض، وعلى عدد من العوامل الأخرى.

الانتشار الإذاعي

أثناء عملية الانتشار، تتعرض موجات الراديو للتوهين نتيجة لعدد من الأسباب. عندما تبتعد عن جهاز الإرسال، تنتشر الطاقة في حجم أكبر بشكل متزايد، وبالتالي تقل كثافة تدفق الطاقة. كما أن البيئة التي تنتقل فيها موجات الراديو تؤدي إلى إضعافها. ويرجع ذلك إلى امتصاص طاقة الأمواج بسبب الخسائر الحرارية وانخفاض قوة مجال الموجة عند الالتفاف حول العوائق على شكل انتفاخ الكرة الأرضية أو التلال.

أرز. 1. بنية الموجات الكهرومغناطيسية في لحظة معينة من الزمن.

عند كل نقطة في الفضاء، يكون متجه شدة المجال الكهربائي للموجة E متعامدًا مع متجه شدة المجال المغناطيسي H، ويكون كلا المتجهين متعامدين مع اتجاه انتشار الموجة.

يخضع انتشار الموجات الراديوية لقوانين عامة معينة:

الانتشار المستقيم في وسط متجانس، أي. البيئة التي تكون خصائصها متطابقة في جميع النقاط.

الانعكاس والانكسار عند الانتقال من وسط إلى آخر. زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس.

الانحراف. وعندما يواجهون جسمًا معتمًا في طريقهم، تنحني موجات الراديو حوله. يتجلى الحيود بدرجات متفاوتة اعتمادًا على نسبة الأبعاد الهندسية للعائق وطول الموجة.

الانكسار. في الوسائط غير المتجانسة، والتي تختلف خصائصها بسلاسة من نقطة إلى أخرى، تنتشر موجات الراديو على طول مسارات منحنية. كلما تغيرت خصائص الوسط بشكل مفاجئ، زاد انحناء المسار.

انعكاس داخلي كامل. إذا تجاوزت زاوية الإصابة، أثناء الانتقال من وسط أكثر كثافة بصريًا إلى وسط أقل كثافة، بعض القيم الحرجة، فإن الشعاع لا يخترق الوسط الثاني وينعكس تمامًا من الواجهة بين الوسائط. تسمى زاوية السقوط الحرجة زاوية الانعكاس الداخلي الكلي.

التشوش. يتم ملاحظة هذه الظاهرة عند إضافة عدة موجات في الفضاء. في نقاط مختلفة في الفضاء، يتم الحصول على زيادة أو نقصان في سعة الموجة الناتجة اعتمادًا على العلاقة الطورية للموجات القابلة للطي.

تسمى موجات الراديو التي تنتشر بالقرب من سطح الأرض، والتي تغلف انتفاخ الكرة الأرضية جزئيًا، بسبب الحيود، الموجات السطحية. يعتمد انتشار الموجات السطحية بشكل كبير على خصائص سطح الأرض.

تسمى الموجات الراديوية التي تنتشر على ارتفاعات عالية في الغلاف الجوي وتعود إلى الأرض بسبب الانعكاس من المخالفات الجوية، الموجات المكانية.

المنطقة الضرورية لانتشار الموجات

عندما تنتشر موجات الراديو في مساحة متجانسة لا حدود لها، فإن مناطق مختلفة من هذا الفضاء لها تأثيرات مختلفة على عملية تكوين المجال عند نقطة الاستقبال. لتحديد المنطقة الأساسية في الفضاء التي تلعب دورًا حاسمًا، ننتقل إلى مبدأ بصريات الدليل الموجي - مبدأ هيغنز-فريسنل.

لنفترض أن باعث النقطة يقع عند النقطة A: من الضروري تحديد شدة المجال الكهربائي EB عند النقطة B على مسافة R من الباعث. دعونا نرسم عقليًا سطحًا مغلقًا عشوائيًا S حول الباعث (الشكل 2).

وفقًا لمبدأ هويجنز-فريسنل: يمكن اعتبار كل نقطة على السطح S مصدرًا لموجات كروية ثانوية (مصدر افتراضي)، ويمكن تحديد المجال عند النقطة B نتيجة للجمع المتجه لمجالات كل هذه الموجات. بواعث ثانوية على السطح S. كل من الباعثات الثانوية لها نمط إشعاعي، الحد الأقصى لإشعاعها يتطابق مع العمودي على السطح S عند نقطة معينة.

لتتبع عملية تكوين المجال عند النقطة B، افترض أنه على مسافة R1 من النقطة B، بشكل عمودي على الخط AB، توجد شاشة معتمة لموجات الراديو ذات الأبعاد اللانهائية. دعونا نختار سطحًا S مغلقًا حول النقطة A ليتكون من مستوى الشاشة ونصف الكرة الأرضية عند اللانهاية، ويحيط بالنقطة A ويستقر على الشاشة. إذا لم يكن هناك ثقب في الشاشة، فبسبب عتامة الشاشة، سيكون الحقل عند النقطة B مساويًا لـ 0

الشكل 2: انتشار الموجات الراديوية في مساحة متجانسة لا حدود لها

أرز. 3. تشكيل مجال موجة الراديو

تأثير سطح الأرض على انتشار الموجات الراديوية

يعتمد تأثير سطح الأرض على انتشار الموجات الراديوية على موقع المسار الراديوي بالنسبة لسطحها. انتشار الموجات الراديوية هو عملية مكانية تغطي مساحة كبيرة. لكن الدور الأكثر أهمية في هذه العملية يلعبه جزء من الفضاء المحدود بسطح على شكل إهليلجي للثورة، في بؤرتي A و B يوجد المرسل والمستقبل (الشكل 4).

أرز. 4. المنطقة المهمة لانتشار الموجات الراديوية: أ - هوائي الإرسال. ب - الاستقبال. Z1 وZ2 هما ارتفاعهما فوق سطح الأرض.

المحور الرئيسي للمجسم الإهليلجي يساوي تقريبًا المسافة R بين المرسل والمستقبل، والمحور الأصغر هو ~. كلما كان الشكل الإهليلجي أصغر، كان أضيق، وفي النطاق البصري يتحول إلى خط مستقيم (شعاع ضوئي). إذا كان الارتفاعان Z1 وZ2، اللذان يوجد عندهما هوائيات الإرسال والاستقبال بالنسبة لسطح الأرض، كبيرين مقارنة بـ ، فإن الشكل الإهليلجي لا يلامس سطح الأرض (الشكل 4، أ). وفي هذه الحالة، لا يؤثر سطح الأرض على انتشار الموجات الراديوية (الانتشار الحر). عندما يتم خفض كلتا نقطتي نهاية المسار الراديوي أو إحداهما، سيلامس الشكل الإهليلجي سطح الأرض (الشكل 4، ب) وسيتم فرض مجال الموجة المنعكسة على الموجة المباشرة المنتقلة من المرسل إلى المستقبل. وإذا كان عند Z1 >> وZ2 >>، فيمكن اعتبار هذا المجال شعاعاً منعكساً على سطح الأرض وفقاً لقوانين البصريات الهندسية. يتم تحديد المجال عند نقطة الاستقبال من خلال تداخل الحزم المباشرة والمنعكسة. يحدد الحد الأقصى والحد الأدنى للتداخل بنية فص المجال (الشكل 5). يمكن تحقيق الشرطين Z1 وZ2 >> عمليا فقط للموجات المترية والأقصر، وبالتالي فإن بنية فص المجال هي سمة من سمات الموجات فائقة القصر (VHF).

أرز. 5. هيكل البتلة للحقل عند نقطة الاستقبال.

عند تكبيرها، تتسع مساحة كبيرة وتعبر سطح الأرض. وفي هذه الحالة لم يعد من الممكن تصور المجال الموجي نتيجة تداخل الموجات المباشرة والمنعكسة. ويعود تأثير الأرض على انتشار الموجات الراديوية في هذه الحالة إلى عدة عوامل: تتمتع الأرض بموصلية كهربائية كبيرة، وبالتالي فإن انتشار موجات الراديو على طول سطح الأرض يؤدي إلى الفقد الحراري وتوهين الموجة. يزداد فقدان الطاقة في الأرض مع التناقص.

الشكل 6. انتشار موجات الراديو.

بالإضافة إلى الضعف، هناك أيضًا تغيير في بنية المجال الموجي. إذا قام هوائي قريب من سطح الأرض ببث موجة عرضية مستقطبة خطياً، حيث تكون شدة المجال الكهربائي E متعامدة مع سطح الأرض، فإن الموجة تصبح مستقطبة إهليلجياً 1 على مسافات كبيرة من المرسل (الشكل 6). حجم المكون الأفقي Ex أقل بكثير من المكون الرأسي Ez ويتناقص مع زيادة الموصلية s لسطح الأرض. ظهور مكون أفقي يجعل من الممكن استقبال الموجات الأرضية على ما يسمى. هوائيات أرضية (2 موصلات موجودة على سطح الأرض أو على ارتفاع منخفض). إذا قام الهوائي ببث موجة مستقطبة أفقياً (E موازية لسطح الأرض)، فإن سطح الأرض يضعف المجال أكثر، كلما زادت s، ويخلق مكونًا رأسيًا. بالفعل على مسافات قصيرة من الباعث الأفقي، يصبح مكون المجال الرأسي أكبر من الأفقي. عند الانتشار على طول الأرض، تتغير سرعة الطور للموجات الأرضية مع المسافة، ولكن بالفعل على مسافة عدة تقريبًا من الباعث تصبح مساوية لسرعة الضوء، بغض النظر عن الخواص الكهربائية للتربة.

أرز. 7. ارتفاع الجزء الكروي الذي يميز تحدب الأرض

يعد انتفاخ الأرض نوعًا من "العائق" أمام موجات الراديو التي تنحني حول الأرض وتخترق "منطقة الظل". لأن حيود الموجة يتجلى بشكل ملحوظ عندما تكون أبعاد العائق متشابهة أو أصغر، ويمكن تحديد حجم تحدب الأرض بارتفاع الجزء الكروي h (الشكل 7)، المقطوع بواسطة مستوى يمر عبر الوتر الذي يصل بين نقطتي موقع جهاز الاستقبال والمرسل (انظر الجدول 1)، عندها يتم تحقيق الشرط h للمتر والموجات الأطول. إذا أخذنا في الاعتبار أن فقدان الطاقة في الأرض يزداد مع الانخفاض، فإن الموجات التي يبلغ طولها كيلومترًا وأطول تقريبًا هي التي يمكنها اختراق عمق منطقة الظل (الشكل 8).

الشكل 8. رسم بياني للتغيرات في شدة المجال مع المسافة r (بالكم). ويبين المحور الرأسي قيمة عامل التوهين الذي يتحدد بنسبة شدة المجال في ظل ظروف الانتشار الحقيقية إلى شدة المجال أثناء الانتشار في الفضاء الحر.

ارتفاع القطعة الكروية h لمسافات مختلفة بين المرسل والمستقبل

الجدول 1

المسافة، كم

سطح الأرض غير متجانس، وأهم تأثير على انتشار الموجات الراديوية هو الخواص الكهربائية لأجزاء المسار المجاورة للمرسل والمستقبل. إذا عبر المسير الراديوي الخط الساحلي، أي عبر الأرض ثم فوق البحر، فعند عبور الخط الساحلي ستتغير شدة المجال بشكل حاد (الشكل 9)، أي سعة واتجاه انتشار الموجة (الانكسار الساحلي). ومع ذلك، فإن الانكسار الساحلي هو اضطراب محلي في مجال الموجات الراديوية الذي يتناقص مع المسافة من الساحل.

أرز. 9. التغير في شدة المجال الكهربائي عند حدود الوسطين

تؤثر تضاريس سطح الأرض أيضًا على انتشار موجات الراديو. يعتمد هذا التأثير على العلاقة بين ارتفاع خشونة السطح h والمدى الأفقي l وزاوية حدوث q للموجة على السطح (الشكل 7). إذا تم استيفاء الشروط:

(1)

ثم تعتبر المخالفات صغيرة ولطيفة. وفي هذه الحالة، يكون لها تأثير ضئيل على موجات الراديو. ومع زيادة q، قد يتم انتهاك الشرط (1). في هذه الحالة، تتبدد طاقة الموجة، وتقل شدة المجال في اتجاه الحزمة المنعكسة (تحدث انعكاسات منتشرة).

بالإضافة إلى ذلك، فإن التلال العالية والجبال وما إلى ذلك "تزعج" الحقل بشكل كبير، وتشكل مناطق مظللة. يؤدي حيود الموجات الراديوية على التلال الجبلية في بعض الأحيان إلى تضخيم الموجة بسبب تداخل الموجات المباشرة والمنعكسة من سطح الأرض (الشكل 10).

أرز. 10. تضخيم الموجات الراديوية نتيجة حيودها عن طريق المخالفات السطحية.

الاتصالات اللاسلكية تحت الأرض وتحت الماء.

القشرة الأرضية، وكذلك مياه البحار والمحيطات، موصلة وتمتص موجات الراديو بقوة. بالنسبة للصخور الرسوبية في الطبقة السطحية من القشرة الأرضية فإن الموصلية النوعية هي 10-3-10-2 أوم-1م-1. بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة للوسائط ذات الموصلية النوعية العالية، يزداد معامل الامتصاص مع زيادة التردد. لذلك، يتم استخدام الموجات الطويلة والطويلة جدًا للاتصالات الراديوية تحت الأرض. في الاتصالات تحت الماء، إلى جانب الموجات الطويلة جدًا، يتم استخدام موجات النطاق البصري.

أرز. 11. مبدأ الاتصال اللاسلكي تحت الأرض.

وفي أنظمة الاتصال بين النقاط تحت الأرض أو تحت الماء، يمكن استخدام الانتشار الجزئي على طول سطح الأرض أو البحر. تنتشر موجة مستقطبة رأسيًا يثيرها هوائي إرسال تحت الأرض إلى سطح الأرض، وتنكسر عند السطح البيني بين الأرض والغلاف الجوي، وتنتشر على طول سطح الأرض، ثم يتم استقبالها بواسطة هوائي استقبال تحت الأرض (الشكل 11). يصل عمق غمر الهوائيات إلى عشرات الأمتار. توفر الأنظمة من هذا النوع مدى يصل إلى عدة مئات من الكيلومترات وتستخدم، على سبيل المثال، للاتصال بين مراكز التحكم تحت الأرض عند إطلاق الصواريخ. تستخدم أنواع أخرى من الأنظمة أدلة موجية تحت الأرض - وهي طبقات من القشرة الأرضية ذات موصلية منخفضة، وبالتالي خسائر منخفضة. وتشمل هذه الصخور الملح الصخري والبوتاس وما إلى ذلك. وتوجد هذه الصخور على أعماق تصل إلى مئات الأمتار وتوفر نطاقًا من موجات الراديو يصل إلى عدة عشرات من الكيلومترات. التطور الإضافي لهذا الاتجاه هو استخدام الصخور الصلبة (الجرانيت والنيس والبازلت وما إلى ذلك) الموجودة على أعماق كبيرة ولها موصلية منخفضة (الشكل 12). على عمق 3-7 كم، يمكن أن تنخفض الموصلية المحددة إلى 10-11 أوم-1م-1. مع زيادة أخرى في العمق، بسبب زيادة درجة الحرارة، يتم إنشاء التأين (الأيونوسفير المقلوب) وزيادة الموصلية. يتم تشكيل دليل موجي تحت الأرض يبلغ سمكه عدة كيلومترات، حيث يمكن لموجات الراديو أن تنتشر عبر مسافات تصل إلى عدة آلاف من الكيلومترات. إحدى المشاكل الرئيسية للاتصالات تحت الأرض وتحت الماء هي حساب الإشعاع ونقل الطاقة من الهوائيات الموجودة في وسط موصل.

أرز. 12. تغير في موصلية الأرض مع العمق.

وميزة أنظمة الاتصالات تحت الأرض هي استقلالها عن العواصف والأعاصير والدمار الاصطناعي على سطح الأرض. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لتأثير التدريع للصخور الرسوبية الموصلة العلوية، تتمتع أنظمة الاتصالات تحت الأرض بحصانة عالية من الضوضاء من الضوضاء الصناعية والجوية.

فهرس

Feinberg E.L.، انتشار موجات الراديو على طول سطح الأرض، M.، 1961؛

ألبرت يا إل، انتشار الموجات الكهرومغناطيسية والغلاف الأيوني، م، 1972؛

Gurevich A.V.، Shvartsburg A.B.، النظرية غير الخطية لانتشار الموجات الراديوية في طبقة الأيونوسفير، M.، 1973؛

بريخوفسكيخ إل إم، موجات في الوسائط ذات الطبقات، الطبعة الثانية، م، 1973؛

Tatarsky V.I.، انتشار الموجة في جو مضطرب، M.، 1967؛

Chernov L.A.، انتشار الموجة في وسط به عدم تجانس عشوائي، M.، 1958؛

Ginzburg V.L.، انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في البلازما، M.، 1967؛

Dolukhanov M.P.، انتشار الموجات الراديوية، الطبعة الرابعة، م.، 1972

لإعداد هذا العمل، تم استخدام مواد من الموقع http://referat.ru/

1 المنحدر الأمامي للموجة- عندما تنتشر موجة راديوية، والتي عادة ما تكون ذات استقطاب دائري فوق أرض شبه موصلة، بسبب عدم تساوي قيم معلمات التربة للمكونات الكهربائية والمغناطيسية للموجة الراديوية، يتحول الاستقطاب الدائري إلى إهليلجي. كلما زادت موصلية التربة، زاد انحراف الشكل البيضاوي، وكلما اقترب الاستقطاب من الاستواء.