путь распространения радиоволн, направляя их назад к земной поверхности. Количество отраженной таким образом энергии зависит от частоты излучения, атмосферных и географических факторов, а также от угла, под которым распространяющаяся волиа подходит к ионизированному слою. v

Рис. 21-1. Виды распространения радиоволн. / - слой F; 2- слой Е, 3 - пространственная волна, 4 - поверхностная волна

Существует так называемая критическая частота fKp. Если сигналы имеют частоты, большие этой критической частоты, то при вертикальном излучении в направлении ионосферы они не смогут возвратиться к земной поверхности. Однако если волна падает на ионосферу под углом, отличным от 90°, то радиосигналы с частотами, большими критической частоты, могут возвратиться к земле.

Допустимое превышение критической частоты тем больше, чем меньше угол падения радиоволн на ионосферу. Допустимая частота может в несколько раз превышать критическую частоту при малых углах падения.

Максимальную применимую частоту fM по сравнению с критической частотой можно определить из соотношения

f - /кр

/м ~ sm р

(21-3)

где р - угол падения, измеряемый от горизонтали.

Практически используются частоты, равные 70-85% максимальной применимой частоты. Значение максимальной применимой частоты зависит от времени дня, дальности связи, высоты слоев. Данные, которые позволяют предсказывать максимальные используемые частоты, периодически публикуются.

Наиболее низко расположенный ионизированный слой называется слоем D. Он появляется в дневные часы на высоте приблизительно 60-80 км.

Следующий за слоем D расположен слой Е. Он расположен примерно на высоте 90-130 км над землей. Наиболее эффективен этот слой в дневное время. Слой Е имеет наиболее низкую критическую частоту, причем она ниже в дневное время, чем ночью. Следующий, более высокий слой - это слой F.

Слой F в дневное время расщепляется на два слоя: слой Fj и слой F2, который выше. Ночью они сливаются в один слой. Слой F расположен на высотах примерно от 180-220 (слой F0 до 220-500 км (слой F„).

Ионосфера изменяет свои свойства по отражению радиоволн в соответствии с изменениями времен года и солнечной активности.

Характеристики распространения. Характеристики распространения радиоволн зависят в первую очередь от их частоты. Следующие параграфы содержат в обобщенном виде наиболее важные сведения о характеристиках распространения радиоволн каждого частотного диапазона.

1. Сверхдлинные волны (СДВ) имеют очень низкие частоты - 10-30 кгц Волны очень низких частот характеризуются тем, что они имеют малое затухание при распространении над поверхностью земли. Кроме того, пространственная волна хорошо отражается. Поэтому такие частоты применимы для систем связи на очень большие расстояния. Антенные системы обычно громоздки и имеют высокую стоимость. Поглощения в атмосфере на этих частотах очень малы. Распространение таких радиоволн зависит от солнечной активности и магнитных бурь. Дальность распространения в дневное время может быть порядка тысяч километров.

2. Длинные волны (ДВ) с частотами 30-300 кгц. В этом диапазоне затухание поверхностной волны увеличивается. Существенно возрастает в дневное время затухание пространственной волны для высокочастотной части диапазона. В результате в дневное время дальность действия уменьшается до нескольких сотен километров при неблагоприятных условиях. Однако возможно дальнее распространение пространственной волны. Антенные системы низких частот могут быть более эффективными, чем антенны очень низких частот, что может компенсировать увеличение затухания поверхностной волны.

3. Средние волны (СВ) с частотами 300-3 000 кгц. Эти частоты включают широковещательный диапазон 500-1 500 кгц. Антенные системы конструируются таким образом, чтобы обеспечить хорошее распространение поверхностной волны в заданном районе. Зона действия может быть радиусом примерно 200 км. В ночное время возможно увеличение зоны действия за счет пространственной волны.

4. Короткие волны (KB) с частотами 3-30 Мгц. Распространение таких радиоволн характеризуется очень малой зоной действия поверхностной волны. Для связи иа большие расстояния используется только пространственная волна. Для обеспечения наилучшего распространения пространственной волны между двумя точками частота должна быть правильно выбрана. Оптимальная частота будет изменяться в зависимости от времени суток и ионосферных условий 1.

5 Ультракороткие волны (УКВ) (метровые) с частотами 30-300 Мгц. В общем случае при частотах выше 30 Мгц радиоволны не отражаются от ионосферы, и поэтому передача за счет пространственной

1 Для ознакомления с подробным изложением вопросов распространения см. F. Е Т е г m а п. Radioengineers handbook, sec. 10, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1943.

волны невозможна. Зона действия поверхностной волны определяется преломлениями и отражениями в тропосфере. Поглощения в тропосфере очень малы.

6. Ультракороткие волны дециметровые (ДЦВ) с частотами 300- 6 000 Мгц. В этом частотном диапазоне влияние атмосферы становится существенным. В общем поглощение в атмосфере увеличивается с частотой, кроме некоторых частот. Атмосфера преломляет радиоволны таким образом, что возможна передача сигналов «прямой видимости» за оптический горизонт.

Максимальная дальностьпрямой видимости зависит от высоты антенны:

D4,12(/tfn + УЩ£) (21-4)

Для . .

D НПрЛ; Нпрт

где Япрд, Япрм соответственно высоты передающей и приемной антенн в метрах.

В выражении (21-4) учтено влияние преломления в земной атмосфере, которое увеличивает зону передачи прямой видимости за оптический горизонт.

7. Ультракороткие волны, санти метровые (СМВ) с частотами 3 ООО-30 ООО Мгц. Онн простираются практически до верхней границы частот, когда еще можно говорить о распространении радиоволн на заметное расстояние. На частотах более 10 ООО Мгц затухание в осадках становится очень заметным. Могут быть сконструированы на таких частотах антенные системы с высокой направленностью.

Распространение радиоволн за счет отражений на неоднородное тях1. Последние исследования в области распространения за пределы горизонта показывают, что отражения за счет неоднородностей ионосферы в слое Е позволяют сконструировать практические системы связи в частотном диапазоне от 25 до примерно 60 Мгц на дальности 1 000-1 900 км. Кроме того, отражения от тропосферных неоднородностей позволяют конструировать системы связи в диапазоне частот 100-10 000 Мгц на расстояния, превышающие дальность горизонта на несколько сотен километров.

21-16. Излучение антенн. Антенна - это устройство, применяемое для излучения или для приема радиоволн. С другой стороны, антенну можно рассматривать как устройство для согласования линии передачи или генератора радиочастоты с окружающим пространством. Лоле в непосредственной близости от антенны называется полем индукции. Это поле имеет сложную структуру и быстро уменьшается с увеличением расстояния от антенны. Единственная наиболее важная составляющая, которая существует и за пределами непосредственной близости около антенны, это поле излучения. Амплиту-

1 Обзор теоретических и экспериментальных работ по исследованию распространения радиоволн за счет отражений на неодиородностях дан в Scatter propagation issue, Proc. IRE, October 1955, Proc. IRE, vol. 43, № 10.

да этого поля уменьшается обратно пропорционально расстоянию от антенны.

21-1 в. Активное сопротивление антенны. В виду того, что антенна обеспечивает согласование источника высокочастотной энергии, она представляет собой активную нагрузку определенной величины. Эта нагрузка называется активным сопротивлением антенны.

Полное сопротивление антенны учитывает такие факторы, как омические потери в проводниках антенны, потери на излучение, потери из-за наличия короны, вихревых токов, утечки и т. п. Для большинства практических целей необходимо учитывать только омическое сопротивление и сопротивление излучения.

Омические потери равны по величине I-Ro, где / - ток в некоторой определенной точке, a R0 - активное сопротивление проводников на рассматриваемой частоте. Так как ток в реальной антенне изменяется вдоль нее, то для того чтобы определить величину омических потерь, необходимо специально выбрать эту определенную точку в антенне. Обычно выбирается максимальное значение тока, которое может быть в антенне.

Потери на излучение в антенне равны PR„3„, где I - максимальное значение тока, а #изл - сопротивление излучения.

Сопротивление излучения - это несуществующая величина, представляющая собой активное сопротивление, которое рассеивает мощность, равную мощности излучения антенны, при условии, что это сопротивление подсоединено к точке максимального значения тока. Общая мощность, подводимая к антенне, равна поэтому:

PA=I4R« + R«3*). (ai-5)

Так как омические потери обычно много меньше, чем потери на излучение для антенн, длина которых больше , то они характеризуют

эффективность устройств излучения.

«Эффективность» антенны можно определить как отношение, приведенное ниже,

Jxo -f- Атюл

Эта величина меняется примерно от 1,0 для антенн коротких волн до 0,05 для антенн длинных волн.

Если антенна излучает вертикально вниз, то радиоволны будут отражаться, и в результате такого отражения в антенне будет наводиться ток. Степень воздействия этого индуктируемого тока на общий ток антенн зависит от его величины и фазы по отношению к начальному току, который в свою очередь зависит от величины затухания при отражении и от высоты антенны над землей.

Результирующее изменение в полном токе антенны как функцию изменения высоты антенны над землей, при постоянной входной мощности можно рассматривать как изменение сопротивления излучения. Этот эффект иллюстрируется на рис. 21-2 для простейшей ди-польной антенны.

21-1 г Диаграммы направленности, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления антенны и эффективная площадь. Антенные системы обычно конструируются так, чтобы оии имели характеристики излучения, меняющиеся при изменении направления Графическое представление излучения антенны как функции направления называется диаграммой направленности

диаграммы направленности соотношением (21-8):

0.5 10 1,5 2,0

высота в Длинах волн, Н/Х

Рис. 21 2 Влияние высоты подъема антенны над землей

на сопротивление излучения. 1 - горизонтальный вибратор, 2 - вертикальный вибратор.

Диаграммы направленности можно рассматривать в различных плоскостях, которые проходят через центр антенны и включают направление максимального излучения. Диаграмма в горизонтальной плоскости называется азимутальной диаграммой направленности, а диаграмма в вертикальной плоскости - диаграммой направленности по углу места. Иногда плоскость характеристики направленности связывают с направлением поляризации. Например, диаграмма направленности в плоскости Е - это диаграмма в плоскости электрического поля. Другая классификация диаграмм направленности связана с расстоянием от антенны. Если это расстояние достаточно велико, то диаграмма называется д и а г-, раммой направленности Фраун-гофера. Ее форма не зависит от расстояния. Расстояние определяется соотношением

(21-7)

гте D - наибольший размер антенной системы в единицах, соответствующих единицам г и к. Для расстояний, меньших величины, определяемой соотношением (21-7), - диаграмма направленности Френеля. Так как обычно антенны используются на расстояниях больших, чем это дается соотношением (21-7), то наибольший интерес представляют диаграммы направленности Фраунгофера.

Соотношение (21-7) полезно тем, что оно определяет минимальное расстояние, которое необходимо иметь при измерении таких характеристик направленности.

Важными параметрами антенных систем являются коэффициент направленного действия и коэффициент усиления. Коэффициент направленного действия является функцией

и определяется

(21-8)

где Ртя - мощность, излученная на единицу пространственного угла в данном направлении; РСр - средняя мощность, излученная на единицу пространственного угла. Коэффициент усиления антенны в свою очередь учитывает потери в антенне н определяется соотношением (21-9): , , ,

(21-9)

где Р.

полная мощность, подводимая к за-

жимам антенны. Для антенны с незначительными потерями коэффициент усиления антенны и коэффициент направленного действия совпадают.

Эффективная площадь антенны определяется как

Лаф = . (21-10)

Эта величина не связана непосредственно с геометрическими размерами антенны для большинства типов антенн низких частот. Однако в случае рупорных, рефлекторных и линзовых антенн, которые обычно применяются в диапазоне ультракоротких волн, эффективная и геометрическая площади примерно одинаковы

21-1 д.-Ширина полосы, полное conpomut ление и взаимная связь. Ширина полосы антенной системы определяется как диапазон частот, в пределах которых ее свойства в отношении некоторых характеристик соответствуют определенному принятому уровню Такими характеристиками могут быть коэффициент усиления антенны, ширина луча, сопротивление антенны или некоторые родственные им величины. Если выбрано, например, сопротивление, то определение имеет физический смысл только в том случае, когда выбрана определенная величина допустимого уровня изменения. Характерным определением ширины полосы является, например, такое, которое говорит, что это диапазон частот, в пределах которого отраженная мощность от зажимов антенны не превышает одной трети подводимой мощности. Понятие широкополосности - это также вопрос предварительной договоренности. Антенная система, обладающая примерно равными характеристиками в пределах более чем 15% полосы частот, обычно рассматривается как широкополосная.

Входное сопротивление антенны, или сопротивление иа ее зажимах, зависит от конфигурации антенны и рабочей частоты. Полная активная составляющая этого сопротивления равна сумме сопротивлений излучения и потерь.

Антенные элементы, разнесенные более чем на несколько длин волн, будут взаимодействовать между собой. Величина и фаза взаимного сопротивления, которые являются результатом этой взаимной связи элементов антенн, меняются с изменениями размеров антенн, расстоя-