Распространение радиоволн в земной атмосфере. Преломление радиоволн. Общие определения. Траектория волны. Радиус кривизны траектории

Глава 18. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ

18.1. Преломление радиоволн

18.1.1. Общие определения

При определении траектории радиоволн в атмосфере используют метод приближения геометрической оптики. Лучевое представление справедливо для неоднородных сред с настолько медленным изменением коэффициента преломления, что на отрезке пути, соизмеримом с длиной волны в среде, можно принять пф) = const. При этом в первом приближении можно пренебречь отраженным лучом и свести процесс распространения к наличию только преломленного. Строгое решение уравнений Максвелла показывает, что такое приближение выполняется, если где = i/n(h) — длина волны в среде.

В атмосфере приближение геометрической оптики справедливо для всех волн радиодиапазона, за исключением диапазона ДВ (Х > 1000 м).

В гл. 17 показано, что диэлектрическая проницаемость атмосферы плавно меняется по высоте. Распространение радиоволн в такой среде сопровождается плавным искривлением траектории распространения — явлением рефракции.

При рефракции траектория представляет кривую, к которой касателен вектор, характеризующий скорость переноса энергии волны. Из курса технической электродинамики [18] известно, что при распространснии сигнала, энергия которого сконцентрирована в пределах полосы частот (00 — дотах) — (00 + дотах) И 00 » дотах, таким вектором в средс без дисперсии (тропосфера, стратосфера) является вектор фазовой скорости, а в среде с дисперсией (ионосфера) — вектор групповой скорости. В условиях атмосферы, где коэффициент преломления есть функция высоты, модули этих векторов равны [59]:

для фазовой скорости

фco/n(h),         (18.1) где со     скорость распространения в свободном пространстве; n(h) = Ег (11) — коэффициент преломления на высоте ,ђ•, для групповой скорости сигнала с частотой 00 гр = СО          +          ] ,         (18.2)

где = (h,o) — коэффициент преломления в той области атмосферы, где наблюдается дисперсия.

Выражения показывают, что в атмосфере скорость распространения волны различна на разных высотах. Поэтому элементы фронта волны, распределенные в пространстве, перемещаются с разными скоростями, что и является причиной поворота фронта в процессе распространения, т.е. причиной рефракции.

18.12. Траектория волны. Радиус кривизны траектории

Для нахождения траектории волны в приближении геометрической оптики неоднородную атмосферу разбивают на сферические элементарные слои столь малой толщины, что в пределах каждого слоя коэффициент преломления оказывается величиной постоянной, а траектория — прямолинейной. Только на границах слоев волна испытывает преломление, при этом скачок Ап при переходе от слоя к слою настолько незначителен, что интенсивность отраженной волны пренебрежимо мала по сравнению с преломленной.

Пусть на высоте h0 волна падает под углом (Ро на нижнюю границу преломляющей области, где коэффициент преломления изменяется скачком от по до (рис. 18.1). По