Лекция 17. Распространение радиоволн в ионосфере

Ю. Е. Мительман
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И
РАСПРОСТРАНЕНИЕ
РАДИОВОЛН
Распространение радиоволн в
ионосфере
Цель изучения материала
• Освоение основ теории
распространения радиоволн
• Получение знаний о строении и
физических параметрах ионосферы
• Понимание основных принципов
расчета распространения радиоволн в
ионосфере
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
2
Содержание
• Строение ионосферы и ее электродинамические
характеристики
• Диэлектрическая проницаемость и проводимость
ионосферы
• Отражение и преломление волн в ионосфере.
Критическая, максимальная и предельная частоты
• Ослабление напряженности поля в ионосфере
• Расчет напряженности поля на ВЧ ионосферных
радиолиниях. Замирания
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
3
Строение ионосферы и ее
электродинамические характеристики
Ne - концентрация свободных электронов в 1см3 газа
Пс - интенсивность
ионизирующего
солнечного
излучения
Nн - плотность
нейтральных
частиц
N e.max

h  300  400 км
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
4
Строение ионосферы и ее
электродинамические характеристики
ν - частота столкновения
свободных электронов с
тяжелыми частицами, 1/с
Слой D:
h=60-80 км,
Ne=103-104 см-3,
ν=107 1/с
•Отражаются ДВ
•Интенсивное поглощение СВ
•Ночью рассеивается
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
5
Строение ионосферы и ее
электродинамические характеристики
Слой E:
h=100-110 км,
Ne=1,5∙105 см-3 (днем),
5∙103 см-3 (ночью),
ν=105 1/с
•Ночью отражаются СВ
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
6
Строение ионосферы и ее
электродинамические характеристики
Слой F1:
h=200-230 км,
Ne=(2-4)∙105 см-3,
ν=103-104 1/с
•Наблюдается в средних
широтах в дневное летнее
время, в остальное время
сливается с F2
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
7
Строение ионосферы и ее
электродинамические характеристики
Слой F2:
h=300-400 км,
Ne=(4-9)∙105 см-3 (днем),
2,5∙105 см-3 (ночью),
ν=103-104 1/с
•Основной слой,
отражающий КВ
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
8
Строение ионосферы и ее
электродинамические характеристики
• Регулярные явления в ионосфере
– суточные, сезонные, 11-летние
• Нерегулярные явления в ионосфере
– Ионосферно-магнитные бури
• ухудшается дальнее распространение КВ
• радиосвязь нарушается
– Появление спорадического слоя ES
• область повышенной ионизации за счет турбулентного
(вихревого) движения воздуха
• время существования от нескольких минут до нескольких часов;
высота 90…110 км; сильное отражение
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
9
Диэлектрическая проницаемость и
проводимость ионосферы
Плотность тока, наводимого полем РРВ
J  j0 E  J e
Плотность тока, обусловленного движением свободных
электронов
J  eN 
e
e
е
средняя скорость упорядоченного
движения электронов
d е
me
 me  v  е  еЕ
t
сила инерции частицы
сила трения
еЕ
 е 
me (v  j)
сила электрического поля
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
10
Диэлектрическая проницаемость и
проводимость ионосферы
Плотность тока в среде с потерями


J  j   0   j  E


e2 N e
1
Ne
9
  1
 1  3,19 10
2
2
2
2
0 me   v
 v
e2 N e
v
Nev
2

2
2  2,82 10
me   v
2  v 2
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
11
Диэлектрическая проницаемость и
проводимость ионосферы
  h 2 
Ne  Ne.max 1    
  hm  


2

 h  
81
  1  2 N e.мах 1    
  hm  
f


ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
12
Диэлектрическая проницаемость и
проводимость ионосферы
f  3 МГц    
N e  см -3 
  1  81 2
f  кГц 
2
2
-3

  0  f0 кГц  9 Ne см 
Собственная частота ионосферы (частота Ленгмюра)
f 02
  1 2
f
f  f 0 →распространение невозможно
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
13
Отражение и преломление волн в ионосфере.
Критическая, максимальная и предельная частоты
 sin   1 sin 1  2 sin 2  ....  n sin n
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
14
Отражение и преломление волн в ионосфере.
Критическая, максимальная и предельная частоты
  1, n  90
0

sin    n
sin   1  81
Ne см-3 
f
2
кГц
9 N e см -3 
f 
кГц
cos 
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
15
ионосфере
Отражение и преломление волн в ионосфере.
Критическая, максимальная и предельная частоты
При нормальном падении
-3
  00  f кГц  9 Ne см   f 0
Условие отражения выполняется в той области ионосферы, где
диэлектрическая проницаемость достигает нулевого значения
  0  k    a a  0
При наклонном падении
9 N э см -3 
f0
f  кГц  

cos 
cos 
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
16
Отражение и преломление волн в ионосфере.
Критическая, максимальная и предельная частоты
f кр  f 0max  9 Ne max кГц
f  f кр    0
Критические
частоты
обычно
относятся к
диапазону КВ
При нормальном падении ионосфера
радиопрозрачна
в экваториальных широтах
- в дневное время 11-13 МГц,
- в ночное время 4-6 МГц
в средних широтах
- в дневное время 5-8 МГц,
- в ночное время 2,5-4,5 МГц
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
17
Отражение и преломление волн в ионосфере.
Критическая, максимальная и предельная частоты
Для учета сферичности Земли вводят
поправочный коэффициент
2 z0
K  1
 RЗ  h0  cos 
f  Kf 0 sec 
f max  кГц   К
f
max max


z0
1 

  RЗ  h0  
9 N e max см -3 
cos 
sin max
-3

 К  9 Ne max см  sec max
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
Rз

Rз  h0
f max max  4 f кр
18
Отражение и преломление волн в ионосфере.
Критическая, максимальная и предельная частоты
2
1
z0
max
h0
RЗ
Отражаются волны длиннее 10 м (частота ниже 30-40 МГц)
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
19
Ослабление напряженности поля в
ионосфере
NЭ  
  2,82 10
2
2
 
NЭ   max в D-слое и нижней части Е-слоя
E  EСВ V  EСВe  Г ( r )
2
Г(r )   (r )dr
r
При отражении в слое F2
Гi  Г D  Г E  Г F 1  Г F 2
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
20
Ослабление напряженности поля в
ионосфере
  
2
2
2
e Ne 1
  1
2
0 me 
60


2
e Ne v

2
me 
Поглощение:
  0  v  (1  )
  v  (1  n2 ) / (2  c  n)
- Отклоняющее
- Неотклоняющее
n 1
n 1
  v  (1  n2 ) / (2  c)
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
21
Расчет напряженности поля на ВЧ
ионосферных радиолиниях. Замирания
Ослабление из-за поглощения
P(r  0)
L( r ) 
 e2Г( r )
P(r )
L  дБ  2500 / f
2
При f >100 МГц потери не превышают 0,25 дБ
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
22
Расчет напряженности поля на ВЧ
ионосферных радиолиниях. Замирания
rmax  2500  4000км
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
23
Расчет напряженности поля на ВЧ
ионосферных радиолиниях. Замирания
Метод Казанцева
30 P D 1  1  R
EД 

r
2 2

 R

m 1

e
m
 Гi
i 1
V
m
rтрассы
4000
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
24
Выводы и заключение по лекции
• Ионосфера имеет неоднородную по вертикали
структуру и в ней траектория движения волны может
искривляться
• Отражение от ионосферы возможно на невысоких
частотах, а высота, на которой происходит полное
отражение зависит не только от частоты, но и от угла
падения
• Дальнее ионосферное распространение возможно
за счет отражения и расчет в этом случае можно
вести по методу Казанцева
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
25
Использованные источники
• Пименов Ю.В. Линейная макроскопическая
электродинамика. Вводный курс для
радиофизиков и инженеров / Ю.В. Пименов. – М.
: Интеллект, 2008. – 536 с.
• Фальковский О.И. Техническая электродинамика /
О.И. Фальковский. – М : Лань, 2009. – 432 с.
ЭДиРРВ. Распространение радиоволн в
ионосфере
26