Антенны и распространение радиоволн. Часть II. Распространение радиоволн. Дружин Г.И. - 12 стр.

UptoLike

Составители: 

23
может возникнуть в любое время суток и года, но в средних ши-
ротах чаще всего он наблюдается днем в летние месяцы.
3.2. Распространение радиоволн в ионосфере
Рассмотрим электрические параметры ионосферы. Если
электромагнитная волна на частоте
ω распространяется в иони-
зированной области, то под воздействием электрического поля E
этой волны электроны приходят в движение, т. е. создают пере-
менный ток. Плотность электронного тока можно определить из
уравнения:
,
)()( dt
dE
m
Ne
j
m
Ne
J
22
2
22
2
эл
+
+
=
γωω
γ
γω
А/м
2
, (3.4)
где eзаряд электрона, mего масса,
γ
частота столкновений
электронов с нейтральными молекулами.
Независимо от наличия свободных электронов под действи-
ем переменного электрического поля в воздухе всегда возникает
ток смещения:
,
dt
dE
J
0см
ε
=
А/м
2
, (3.5)
где
ε
0
диэлектрическая проницаемость свободного пространства.
Направление электронного тока в каждый момент времени
противоположно направлению тока смещения. Если пренебречь
частотой столкновений электронов с нейтральными молекулами,
то суммарный ток, наведенный в ионосфере, можно определить
из выражения:
,
dt
dE
m
Ne
JJJ
2
2
0элсм
=+=
ω
ε
А/м
2
, (3.6)
Выражение в квадратных скобках представляет абсолютную
диэлектрическую проницаемость ионосферы
ε
аи
. Подставляя зна-
чения диэлектрической проницаемости свободного пространства,
массы и заряда электрона в формулу (3.6), с учетом
ω
= 2
π
f и
ε
аи
=
ε
и
ε
0
получим выражение для относительной диэлектриче-
ской проницаемости ионосферы:
24
.
2
и
f
N
8,801 =
ε
(3.7)
Из формулы (3.7) видно, что относительная диэлектрическая
проницаемость ионосферы по абсолютному значению меньше
единицы и зависит от частоты. Кроме этого, она при определен-
ных значениях N и f может обращаться в нуль и даже принимать
отрицательные значения. Это происходит потому, что под дейст-
вием электрического поля волны при сложении тока смещения
и электронного тока (3.6) полу
чается суммарный эффективный
ток смещения, который определяется разностью этих токов.
Известно, что поле радиоволны в диэлектрике распространя-
ется с фазовой скоростью:
,
n
c
v
ф
= м/с, (3.8)
где cскорость света,
εμ
=n показатель преломления среды.
Поскольку в ионосфере относительная магнитная проницаемость
μ
= 1, то
,
и
n
ε
=
(3.9)
а фазовая скорость
и
ф
c
v
ε
=
. (3.10)
Так как
ε
и
< 1, то v
ф
> c, т. е. фазовая скорость в ионосфере пре-
вышает скорость света в свободном пространстве. Фазовая скорость
определяется скоростью перемещения фазы и может не совпадать
со скоростью движения энергии волны, которая всегда меньше ско-
рости света. Групповую скорость можно определить как скорость
перемещения группы волн. Если имеется амплитудно-
модулированный сигнал, то групповую скорость можно предста-
вить в качестве скорости перемещения огибающей высокочастот-
ного сигнала, которая совпадает со скорость
ю движения энергии
волны. Групповую скорость в ионосфере можно определить из вы-
ражения:
может возникнуть в любое время суток и года, но в средних ши-
ротах чаще всего он наблюдается днем в летние месяцы.                                                                         N
                                                                                                        ε и = 1 − 80 ,8          .             (3.7)
                                                                                                                              f2
        3.2. Распространение радиоволн в ионосфере
                                                                                  Из формулы (3.7) видно, что относительная диэлектрическая
    Рассмотрим электрические параметры ионосферы. Если                        проницаемость ионосферы по абсолютному значению меньше
                                                                              единицы и зависит от частоты. Кроме этого, она при определен-
электромагнитная волна на частоте ω распространяется в иони-
                                                                              ных значениях N и f может обращаться в нуль и даже принимать
зированной области, то под воздействием электрического поля E
                                                                              отрицательные значения. Это происходит потому, что под дейст-
этой волны электроны приходят в движение, т. е. создают пере-
                                                                              вием электрического поля волны при сложении тока смещения
менный ток. Плотность электронного тока можно определить из
                                                                              и электронного тока (3.6) получается суммарный эффективный
уравнения:
                                                                              ток смещения, который определяется разностью этих токов.
                 ⎡      Ne 2                Ne 2γ      ⎤ dE                       Известно, что поле радиоволны в диэлектрике распространя-
          J эл = ⎢−                − j              2 ⎥
                                                            , А/м2,   (3.4)   ется с фазовой скоростью:
                 ⎣  m (ω 2
                           + γ 2
                                 )     ω m (ω 2
                                                + γ  ) ⎦ dt
                                                                                                                    c
где e – заряд электрона, m – его масса, γ – частота столкновений                                             vф =     , м/с,                   (3.8)
                                                                                                                    n
электронов с нейтральными молекулами.
    Независимо от наличия свободных электронов под действи-                   где c – скорость света, n = εμ – показатель преломления среды.
ем переменного электрического поля в воздухе всегда возникает                 Поскольку в ионосфере относительная магнитная проницаемость
ток смещения:                                                                 μ = 1, то
                                       dE
                          J см = ε 0      , А/м2,                     (3.5)                                  n = εи ,                          (3.9)
                                       dt
                                                                              а фазовая скорость
где ε0 – диэлектрическая проницаемость свободного пространства.
     Направление электронного тока в каждый момент времени                                                           c
противоположно направлению тока смещения. Если пренебречь                                                  vф =           .                  (3.10)
                                                                                                                     εи
частотой столкновений электронов с нейтральными молекулами,
то суммарный ток, наведенный в ионосфере, можно определить                        Так как εи < 1, то vф > c, т. е. фазовая скорость в ионосфере пре-
из выражения:                                                                 вышает скорость света в свободном пространстве. Фазовая скорость
                                    ⎡      Ne 2 ⎤ dE                          определяется скоростью перемещения фазы и может не совпадать
                  J = J см + J эл = ⎢ε 0 −     2 ⎥
                                                      , А/м2,         (3.6)   со скоростью движения энергии волны, которая всегда меньше ско-
                                    ⎣      mω    ⎦ dt                         рости света. Групповую скорость можно определить как скорость
    Выражение в квадратных скобках представляет абсолютную                    перемещения группы волн. Если имеется амплитудно-
                                                                              модулированный сигнал, то групповую скорость можно предста-
диэлектрическую проницаемость ионосферы εаи. Подставляя зна-
                                                                              вить в качестве скорости перемещения огибающей высокочастот-
чения диэлектрической проницаемости свободного пространства,
                                                                              ного сигнала, которая совпадает со скоростью движения энергии
массы и заряда электрона в формулу (3.6), с учетом ω = 2π f и
                                                                              волны. Групповую скорость в ионосфере можно определить из вы-
εаи = εиε0 получим выражение для относительной диэлектриче-                   ражения:
ской проницаемости ионосферы:
                             23                                                                                 24