Ответы на экзаменационные вопросы № 1-19 по дисциплине "Антенно-фидерные устройства" (Классификация радиоволн по диапазонам и способу распространения. Отражение и преломление радиоволн в ионосфере)

Поэтому в диапазоне декаметровых волн поглощение уменьшается с ростом высоты, а в диапазоне волн длиннее 200 м поглощение увеличивается с ростом частоты.

18. Влияние постоянного магнитного поля Земли на распространение радиоволн в ионосфере.

При определении электрических характеристик ионосферы необходимо учитывать тот факт, что радиоволны распространяются в ионизированном газе, находящимся в постоянном магнитном поле Земли. Силовое воздействием магнитного поля на движущиеся заряды проявляется в изменении их траекторий, что в конечном счете изменяет электромагнитные свойства ионосферы. Как известно из курса физики, сила, с которой постоянное магнитное поле действует на движущийся заряд, определяется из формулы:

  ,                                      (4.60)

где  – скорость направленного движения электронов, а  – напряженность магнитного поля Земли.

Воздействие на заряд со стороны волны имеет центробежный характер, а со стороны магнитного поля – центростремительный. Поэтому в результате одновременного воздействия этих сил траектория заряда искривляется. Если вектор начальной скорости заряда перпендикулярен вектору напряженности постоянного магнитного поля, то в случае равенства центробежной и центростремительной сил заряд выйдет на круговую орбиту после прекращения действия волны. Радиус орбиты можно определить из условия:

,                                  (4.61)

откуда

.                                             (4.62)

Важно отметить, что период вращения заряда на орбите, определяемый из выражения:

,                                    (4.63)

является постоянной величиной, зависящей только от параметров ионосферы и магнитного поля Земли и не зависящей от воздействия со стороны волны.

Явление вращательного движения электронов в магнитном поле Земли получило название гиромагнитного резонанса, а частота гиромагнитного резонанса, или гирочастота определяется из формулы:

.                            (4.64)

Подставляя в (4.64) значение заряда электрона е, его массы m, m₀ и среднее значение напряженности магнитного поля Земли Н = 40  , получим:

fм » 1,4 МГц.                                       (4.65)

Если частота волны совпадает с гирочастотой, то электроны под воздействием волны будут двигаться по раскручивающей спирали. В этих условиях средние скорости электронов будут превышать скорости при отсутствии магнитного поля, что приведет к увеличению потерь при столкновениях с нейтральными частицами. Поэтому радиоволны с частотой f = 1,4 МГц испытывают повышенное поглощение в ионосфере.

Если волна не прекращает своего воздействия на заряды после начала их направленного движения, то траектории их движение приобретут более сложный характер. Однако при всех условиях эти траектории сохраняют элементы вращательного движения. В результате ионосфера приобретает свойства анизотропной зоны. Рассмотрим эти свойства более подробно. В общем случае, когда направление распространение волны составляет произвольный угол с направлением постоянного поля Земли, анализ условий распространения волны громоздок и приводит к малонаглядным формулам. В то же время на реальных радиотрассах часто можно приближенно считать, что волны распространяются либо в поперечном, либо в продольном магнитном поле. Рассмотрим эти оба случая отдельно.

Распространение  волны  в  поперечном  магнитном  поле. Введем прямоугольную систему координат и предположим, что плоская волна распространяется вдоль оси х (рис. 4.9), а вектор напряженности магнитного поля Н_з ориентирован вдоль оси у. В выбранной системе координат  вектор напряженности электрического поля волны имеет две составляющие Е_у и Е_z. Под действием электрической составляющей поля волны Е_z и постоянного магнитного поля Н_з происходит смещение электрона на величину l_э, которое в конечном счете определяет диэлектрическую проницаемость ионосферы из условия:

                                                                              ,           (4.66) где  – вектор поляризации, определяемый из формулы:

.                       (4.67)

Обратимся к волне с составляющими Е_у, Н_z. Под действием вектора напряженности электрического поля Е_у электрон двигается вдоль силовых линий постоянного магнитного поля и силового воздействия со стороны этого поля не испытывает. В этом случае величина смещения электрона будет иной, нежели под действием поля Е_z, и диэлектрическая проницаемость ионосферы будет также отличаться. Таким образом, ионосфера, имея два значения диэлектрической проницаемости, условно обозначаемые e_у и e_z, приобретает свойства анизотропной среды. Опуская математическую сторону вопроса, приведем окончательные выражения для e_у и e_z:         

,   

,                         (4.68)

где    называется плазменной частотой, а  - поперечной гирочастотой