Ослабление напряженности поля электромагнитных волн в атмосфере. Физические причины ослабления напряженности поля

4 часа

Лекция 5:  ОСЛАБЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ

                ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В АТМОСФЕРЕ

План занятия:

5.1  Физические причины ослабления напряженности поля

При распространении УКВ в земной атмосфере происходит ослабление напряженности поля за счет поглощения в газах, рассеяния и поглощения в гидрометеорах (дожде, граде, снеге, тумане и облаках), а для космических трасс за счет поглощения в ионосфере.

Поглощение в газах имеет двоякий характер: нерезонансный и резонансный.  Причем оно становится заметным только на частотах выше       10 ГГц.

Нерезонансное поглощение в газах вызвано затратой энергии воздействующего электромагнитного поля на преодоление взаимного трения молекул, обладающих электрическим и магнитным моментами и совершающих вынужденные колебания под воздействием электромагнитного поля. Нерезонансное поглощение становится максимальным при совпадении частоты воздействующего поля с собственными частотами колебаний молекул.

Резонансное поглощение в газах обусловлено переходом молекул и атомов на более высокие энергетические состояния за счет поглощения энергии воздействующего поля. Переходы возникают при совпадении частоты воздействующего поля с дискретными частотами внутримолекулярных переходов, которые зависят от разности возможных «разрешенных» энергетических уровней атома или молекулы (рис. 5.1).    Следует отметить, что поглощение происходит в некоторой узкой полосе частот, которая носит название полосы поглощения. Это объясняется  явлением доплеровского эффекта при тепловом движении молекул, а также деформацией за счет взаимных столкновений.

Рис. 5.1.  Резонансное поглощение электромагнитных волн

Ослабление напряженности поля в гидрометеорах  объясняется рассеиванием  электромагнитной энергии частицами. Под влиянием воздействующего поля каждая частица становится вторичным источником излучения, рассеивающим электромагнитную энергию в различные направлениях, в результате чего уменьшается доля энергии, распространяющаяся в точку приема (рис. 5.2). Интенсивность рассеивания зависит от количества частиц в единице объема, их формы, соотношения размеров частиц к длине волны, пространственных размеров области, занятой гидрометеорами, электрических свойств частиц, которые, в свою очередь, зависят от их температуры и состояния. Второй причиной ослабления напряженности поля является нерезонансное поглощение в частицах, которое также зависит от их количества, электрических свойств и частоты волны.

Рис. 5.2.  Рассеивание электромагнитной энергии

                                           волны в гидрометеорах

Поглощение в ионосфере обусловлено столкновением свободно заряженных частиц с нейтральными молекулами и атомами. В процессе столкновений энергия, приобретенная заряженными частицами за счет воздействия электромагнитного поля волны, передается нейтральным молекулам и атомам, т.е. возникают тепловые потери. Поглощение в ионосфере существенно уменьшается с ростом частоты (обратно пропорционально ). Это объясняется тем, что при определенной плотности ионизированного газа существует некоторое среднее расстояние и, соответственно, среднее время свободного пролета заряженных частиц. С повышением частоты воздействующего поля, в силу инерционности, электроны не успевают пройти весь путь, т.е. снижается количество столкновений с нейтральными молекулами или атомами, что, как следствие,  снижает потери энергии воздействующей электромагнитной волны. На частотах выше 100-150 мГц потери электромагнитного поля в ионосфере пренебрежимо малы. Именно поэтому в системах космической связи используемый диапазон ограничен снизу этими частотами.

Учет ослабления напряженности поля в тропосфере определяется уменьшением множителя ослабления, значение которого убывает с расстоянием по закону

                                                                                                                                          (5.1.1)

где  - коэффициент ослабления на единицу длины пути в данной точке траектории волны (погонное ослабление);

 - путь, пройденный волной в области, содержащей газы и гидрометеоры.

В общем случае погонное ослабление можно представить:

,                                                                                                                                   (5.1.2)

где  - значение коэффициента ослабления за счет поглощения в газах;    - значение коэффициента ослабления, обусловленное рассеиванием и поглощением в гидрометеорах.

Используя выражение (5.1.1) значение ослабления можно представить:

,                                                                                                                   (5.1.3)

где  и  - длины путей, пройденные волной в областях, содержащих газы и гидрометеоры.

В децибелах значение множителя ослабления будет равно

.                                                                                                        (5.1.4)

Величины V_г и V_гм  в выражении (5.1.4) представлены в  децибелах. Они определяют парциальные составляющие ослабления в газе и гидрометеорах. Кроме того, они являются случайными величинами, которые определяются статистически из конкретных условий местности.

В заключении следует отметить, что ослабление напряженности поля