Ослабление радиоволн в атмосфере. Ослабление в газах. Резонансное и нерезонансное поглощение. Ослабление сигнала в тумане и облаках

18.3. Ослабление радиоволн в атмосфере

18.3.1. Ослабление в газах

При распространении радиоволн короче З .. . 4 см 7...10 ГГц) в земной атмосфере происходит дополнительно к потерям в свободном пространстве (см. S 15.1) ослабление поля за счет поглощения в газах. Различают нерезонансное и резонансное поглощения.

Нерезонансное поглощение вызывается затратой энергии воздействующего поля на преодоление сил трения между молекулами, возникающими при вынужденном колебательном движении молекул под действием поля.

Резонансное поглощение связано с тем, что по законам квантовой механики каждая молекула того или иного вещества может поглощать (или излучать) только свои собственные наборы квантов энергии или соответствующие им наборы (спектры) частот.

При совпадении частоты поля с одной из дискретных частот внутримолекулярных переходов происходит поглощение энергии внешнего поля, в результате чего молекула переходит в более высокое энергетическос состояние. Из всех составляющих атмосферного газа в радиодиапазоне расположены спектры поглощения только кислорода и водяных паров.

Ослабление напряженности поля в кислороде и водяных парах измеряют модулем множителя ослабления в газах [см. (15.16)], который обычно выражают в децибелах:

^кг = YH2(fH20 + Моу02'                                                                    (18.37)

где ун о и уо — коэффициенты ослабления, дБ/км, вблизи поверхности

Земли соответственно для водяного пара и кислорода при горизонтальном распространении волны относительно поверхности Земли• r и 02— эффективные длины трасс для водяного пара и кислорода соответственно.

На рис. 18.10 приведены рассчитанные зависимости ун о и уо2 от частоты при средних метеорологических условиях. Из рисунка видно, что водяной пар имеет полосы поглощения с центрами поглощения вблизи частот 22, 183 и 320 ГГц, а кислород — вблизи частот 60 и 120 ГГц.

Эффективные длины трасс гн о и учитывают неравномерные условия поглощения вдоль трассы. На наземных линиях rН2О где к — геометрическая длина трассы. На космических линиях путь распространения волны проходит через всю толщу тропосферы. На такой трассе распределение кислорода и водяных паров изменяется по высоте. Кроме того, космический аппарат перемещается относительно наземного пункта и длина пути распространения изменяется в зависимости от угла возвышения траектории д относительно линии горизонта. На рис. 18.11 приведены рассчитанные значения множителя ослабления на различных частотах при разных углах д, справедливые для спокойной тропосферы, когда волна проходит всю ее толщу.

18.32. Ослабление в осадках

Различные атмосферные образования в виде конденсированных водяных паров — дождя, тумана, облаков, града, снега, которые состоят из отдельных частиц — капель, льдинок (гидрометеоров), являются причиной ослабления напряженности поля радиоволн. Ослабление вызывается, во-первых, нерезонансным поглощением в частицах (см. 18.3.1) и, во-вторых, рассеянием энергии на частицах. Ослабление может также происходить за счет отражения от резко очерченной полосы осадков.

Ослабление в осадках начинает сказываться на частотах f> 6 ГГц (Х < 5 см) и особенно существенно на частотах 10 ГГц. При этом основное значение имеет ослабление в дожде, а также в тумане и облаках.

Ослабление в дожде. Множитель ослабления в дожде, выраженный в децибелах,

                                                                         (18.38)

На рис. 18.12 приведены зависимости коэффициента ослабления в дожде уд от частоты при различной его интенсивности .Ј . Видно, что уд возрастает при увеличении частоты поля и интенсивности дождя.

Эффективная длина трассы учитывает неравномерное распределенис интенсивности дождя как вдоль поверхности Земли, так и по вертикали. На наземных линиях в условиях дождей слабой или средней интенсивности (Ј < 20 мм/ч r к). В остальных случаях

            (18.39) где К — коэффициент, определяемый по графику на рис. 18.13 в ЗаВИсимости от и Ј .                                      кг

0,8

47

45

0,4

аз

0 10 20                   40 г, км

Рис. 18.12                                                           Рис. 18.13

Ослабление в тумане и облаках. Оно зависит от количества воды в единице объема, т.е. водности, а также от температуры воздуха и частоты распространяющейся волны.

Множитель ослабления в или облаках, выраженный в децибе-