3.2. Особенности реальной ионосферы. Эффекты ррв в ионосфере.

А – передатчик, В – приемник. Луч идет с отражением от ионосферы. (гектометровые волны и выше). Здесь может быть односкачковое распространение луча, также может быть в пределах диаграммы направленности двухскачковое.

В итоге в точку приема приходят несколько лучей с различными фазами => в точке приема могут быть всплески, замирания и т.д.

Волна на приемнике – Рис.6(а).

На Рис.5(б) – интерференция обыкновенного и необыкновенного лучей. Это поляризационное замирание, известный эффект Фарадея – поворот плоскости поляризации в ионосфере. Подмагничивающее поле – магнитное поле Земли=40Ампер.

Входя в ионосферу луч разделяется на обыкновенный(поляризация правого вращения) и необыкновенный (поляризация левого вращения). Коэффициенты фазы у них разные и они проходят в ионосфере разные пути. На выходи из ионосферы они складываются и происходит поворот плоскости поляризации => уменьшение отношения сигнал/шум.

Рис.5(в) – Расфокусировка и фокусировка Э.М. энергии. В ионосфере всегда присутствуют неоднородности ионосферной концентрации – перемещающиеся ионосферные возмущения. Их источником являются акустико-гравитационные волны. Они будут рассеивать волны – дополнительная многолучевость и уменьшение отношения сигнал/шум.

За счет ПИВ можно увеличить мощность отраженного луча от 4dB до 19 dB.

а) б)

в)

Рис. 5

а)б) Среднеевропейское время – среднеширотная ионосфера

в) – Поляризационные замирания – за счет изменения плоскости поляризации – эффект Фарадея.

Рис. 6

С точки зрения обработки сигнала появляются определенные сложности.

Для радиосвязи скорость по каналам КВ связи довольно низкая. При одном канале можно достичь скорости связи максимум 500 бот.

На высотах 100-200 километров идет хвост. Нужно передавать следующую информацию, а еще идет хвост предыдущей. Избавиться от хвоста – излучать что-то в противофазе хвосту.

Изменение солнечной активности – повышенная ионизация в области ионосферы за счет увеличения черных пятен на солнце (повышение активности солнца).

Рис. 9 – Солнце имеет 11-летний цикл активности

Рис. 10. Частота появления спорадического слоя Е_Sв средних широтах:

а) суточный ход; б) сезонный ход.

Откуда появляется и куда исчезает спорадический слой – никто сказать не может.

3.3 Электрические параметры ионосферы. Плазменная частота.

В ионосфере есть положительные заряды и отрицательные электроны. Если излучать Э.М. волну, то они выстраиваются и приобретают направление по полю, следовательно, появляется конвекционный ток. Раз есть ток, то он должен создавать магнитное поле.

Т.к. все остальные заряды больше, то всем, кроме тока электронов пренебрегаем.

Полная плотность тока:

Поле волны в конкретной фиксированной точке ионосферы:

Плотность тока смещения и плотность тока электронов:

Плотность полного тока:

Первый закон электродинамики:

В выражении 4 нам неизвестна только скорость движения электрона.

Для ее определения воспользуемся уравнением движения электрона поля Е:– число соударений электронов;- изменение количества движения электронов за единицу времени. То есть при каждом соударении электрон теряет количество движенияmV.

Решение дифференциального уравнения 5 мы ищем в виде:

Подставим в выражение 5 =>

Получив выражение для скорости, запишем уравнение Максвелла:

Сопоставим с уравнением :

Где комплексная диэлектрическая проницаемость:

Приравняв у выражения 10 вещественные и мнимые части, мы находим электрические параметры ионосферы:

Для рассматриваемого диапазона волн (гектометрового):

Плазменной частотой называется

Если подставим значения , то получим, что плазменная частота равна:

Плазменная частота – это концентрация электронов, которая зависит от высоты.

Рефракция в ионосфере – отражение луча.

3.4. РРВ вертикально падающих на ионизированный слой. Критическая частота. ВЧХ.

Возьмем за основу модель ионосферы – просто параболический слой на Рис.11 слева.

Дальше начинаем излучать на частотах вверх вертикально.

На частоте f1 излучаем – волна проходит ионосферу. Ионосфера прозрачна.

На частоте f3 до высоты z1 нормально, а далее отрицательный показатель епсилан => показатель преломления мнимый=> на участке z1-z2 распространения нет. Этот участок для частоты f3 представляет собой барьер. Волна пройти не может и будет отражаться.

Если епсилан >0, то распространение не отличается от ионосферы.

Там, где епсилан=0 происходит отражение Э.М. волны от ионосферы.

В этом случае плазменная частота становится критической частотой ионосферы.

Если мы берем рабочую частоту больше критической частоты, то отражения не будет и слой для этой частоты будет прозрачный.

Для организации односкачкового распространения нужно выбрать рабочую частоту меньше критической частоты.

Критическая частота слоя F – критическая частота всей ионосферы.

Рис. 11

Наглядный пример – Рис.12(а). Рис.12(б) – зависимость критической частоты от высоты ионосферы.

3.5. Закономерности РРВ наклонно падающих на ионизированный слой.

Для нас важней излучать при малых углах.

Воспользуемся уравнениями луча.

Для наклонного падения луча на ионосферу:

Эти параметры регистрируются Рис.13.

Рис. 13

Показатель преломления:

Возьмем за высоту отражения максимальную частоту:

Выражение 23 – критическая частота наклонно-падающего луча на ионосферу.

Если берем критическую частоту при 0 градусов.

Обычно берут критическую частоту в диапазоне:

Продемонстрировать это можно на Рис.14.

Мы можем варьировать частотой, а можем варьировать углом наклона.

Вводится еще одно понятие – максимально применимая частота– та частота, при которой луч падает на минимальное расстояниеDminот излучателя.

Рис. 14

Обычно рабочую частоту используют:

Потому что меньше, чем 0,7 преобладает поле рассеянья структуры. А при частотах, больше чем 0,9 идут сильные затухания.

В ионосферном распространения – в месте локатора до ионосферы идут земные волны, потом идет зона молчания, затем идут ионосферные волны.

Рис. 15

Рис.16 – принцип загоризонтной локации.

Отражаясь от ионосферы, энергия рассеивается поверхностью Земли и часть энергии возвращается назад по лучу к источнику. Этот эффект взят за основу и на нем строятся принципы загоризонтной локации.

Рис.17 – локатор работает на частоте меньше критической частоты.

В пределах диаграммы направленности: 800 километров – зона молчания, затем большая освещенная область. Возникает проблема выделения сигнала самолета от мощного засвета земной поверхности. Еще одна проблема заключается в области отражения от ионосферы.

Если ионосфера перемещается (дышит) и ее скорость будет равна доплеровской скорости самолета, то мы его не заметим.

Рис. 17

Здесь желательно поставить ионосферную станцию, которая бы светила в терминатор и учитывала все движения слоя, изменение критической частоты, что позволило бы уменьшить ошибки, которые здесь довольно большие. По дальности – 50км., по углам – 10 градусов. Можно использовать ее как станцию предупреждения.

Рис. 18

Меняя частоту и фиксирую минимальную дальность, мы фиксируем на каждой частоте дистанционно-частотную характеристику. Зависимость минимальной дальности от частоты.