Распространение радиоволн над плоской поверхностью Земли

Реальная поверхность земли, как это хорошо знает читатель, имеет неровный рельеф. Тем не менее рассмотрение вопроса о распространении радиоволн над плоской поверхностью земли, несмотря на очевидную идеализацию реальной задачи, весьма полезно, так как позволяет выявить некоторые общие закономерности, в достаточной мере справедливые и для реальной поверхности земли. В частности, такое рассмотрение крайне удобно для расчета радиолиний диапазона УКВ протяженностью до нескольких десятков километров, когда одна из антенн размещена на значительной высоте.

Отличительной особенностью этой ситуации является наличие двух волн, прямой и отраженной, достигающих приемной антенны (рис. 4.6а). В случае, когда расстояние между антеннами r значительно превышает как h1, так и h2, можно считать, что амплитуды волн 1 и 2 примерно одинаковы. Отраженная волна 2 претерпевает некоторое ослабление (см. § 2.1). Однако в идеализированном случае, т. е. при отражении без потерь (ρ = -1), амплитуды отраженной Eотр и прямой Eпр равны: Eотр = Eпр = E1. В точке наблюдения напряженность электрического поля, являющаяся суммой напряженности полей обеих волн, будет изменяться в пределах от 0 до в зависимости от фазы отраженной волны (рис. 4.6б). На рис. 4.6в и г приведены соответственно графики [1] изменения напряженности поля в месте расположения приемной антенны при изменении расстояния между антеннами и фиксированных высотах подвеса антенн, а также при изменении высоты подвеса приемной антенны и фиксированных высоте передающей антенны и расстоянии между антеннами. В первом случае (см. рис. 4.6в) передающая антенна расположена на высоте h1 = 100 м, а приемная — на высоте h2 = 10 м. Длина волны λ = 1,5 м, а мощность излучения PД = 1 кВт. Первая зона, соответствующая интерференционному нулю прямой и отраженной волн, находится на расстоянии 2 км, а вторая зона — на расстоянии 4 км. Экспериментально подтверждено, что если на пути распространения или прямой, или отраженной волн разместить препятствие (при эксперименте, естественно, препятствие размещается на пути отраженной волны), то характер напряженности поля резко изменится: уровень напряженности поля будет примерно вдвое ниже, но зато исчезнут нулевые интерференционные зоны.

Рис. 4.6. Интерференция прямой и отраженной волн

Сходную ситуацию, также хорошо знакомую радиолюбителям, иллюстрирует рис. 4.6г. Передающая антенна, излучающая мощность РД = 1 кВт, расположена на высоте h1 = 300 м. Длина волны λ = 1,5 м. Расстояние до приемной антенны r = 32 км. При подъеме приемной антенны на высоту h2 = 40 м наблюдается заметное увеличение уровня принимаемого сигнала. При подъеме свыше 40 м уровень сигнала падает и достигает нуля при h2 = 80 м. Дальнейшее увеличение высоты подвеса приемной антенны вновь приводит к росту уровня сигнала, который достигает второго максимума при высоте h2 = 120 м. Уровни сигналов для высот подвеса антенн h2 = 40 м и h2 = 120 м примерно равны.

В литературе приводится формула $$\begin{equation}r=\frac{0,018\;h_1h_2}{\lambda}\end{equation}\tag{4.6}$$ где r задано в километрах, а λ, h1 и h2 — в метрах. Оно позволяет определить параметры трассы r, h1 и h2, при которых не возникает интерференционный нуль, приводящий к значительному падению уровня принимаемого сигнала.

Отметим, во-первых, что на графиках, подобных графикам рис. 4.6, число интерференционных нулей равно отношению меньшей высоты подвеса антенны к длине волны, т. е. отношению h1 или h2. Во-вторых, средний уровень сигнала уменьшается обратно пропорционально расстоянию между антеннами.

В обычных практических ситуациях расстояние r значительно превышает как h1, так и h2. В случае, когда $r\gg\frac{{2\pi}{h_1}{h_2}}{\lambda}$, для расчета напряженности поля в точке приема можно воспользоваться формулой Введенского $$\begin{equation}E=\frac{2,18\;\sqrt{P_Д}\;h_1h_2}{r^2\lambda}\end{equation}\tag{4.7}$$ где РД задано в киловаттах; λ, h1 и h2 — в метрах; r — в километрах; Е — в милливольтах на метр.

Из этой формулы следует, что напряженность поля Е уменьшается как квадрат расстояния r.

Антенна, расположенная низко над землей, кроме прямой и отраженной волн создает также поверхностную волну. Эта волна распространяется вдоль поверхности земли и имеет наклонный фронт. Поле диполя, расположенного непосредственно над землей, уменьшается пропорционально квадрату расстояния. При распространении поверхностной волны над местностью с неоднородным рельефом наблюдаются скачки напряженности поля, обусловленные этими неоднородностями, а также изменяется направление распространения волны (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Измерение напряженности поля при распространении радиоволны на смешанной трассе

Более полную информацию по этим вопросам можно найти в [1 и 4]. В этих источниках приводятся зависимости, которые свидетельствуют о том, что если приемная антенна расположена над средой с проводимостью σ2, большей, чем проводимость σ1 среды в области расположения передающей антенны, то уровень напряженности поля значительно больше, чем в случае, когда проводимость среды распространения однородна вдоль всей трассы. Такая ситуация достаточно часто встречается на практике, например при переходе от суши к морю.