23.3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН ПРИ РАССЕЯНИИ

23.3.1. Тропосферное рассеяние

Тропосфера простирается над земной поверхностью до высоты Было обнаружено, что в ее верхней части может существовать специальный механизм распространения. Например, сильное поле наблюдалось [88, 203, 280] в точках далеко за горизонтом, расстояние до которых гораздо больше расстояния, ожидаемого на основе обычной теории для нормальной атмосферы. Было предположено [238], что такое рассеяние вперед возможно связано с пространственными флюктуациями диэлектрической проницаемости соответствующих размеров и интенсивности, и действительно, в лабораторных экспериментах на частоте наблюдалось [241] рассеяние от движения воздуха, вызванного термической турбулентностью. Геометрия лучей распространения при тропосферном рассеянии показана на рис. 23.9, а, где видно, что существует объем воздушного пространства, который является общим для приемного и передающего антенных лучей.

Механизм тропосферного рассеяния [18, 42, 47, 94, 215, 216, 236, 279, 298, 299, 310, 371] подробно изучен; рассмотрено влияние его на распространение радиоволн [57, 147, 212, 276, 279, 380]; такой вид дальнего распространения [58, 303] рассматривают как разновидность дифракции радиоволн, но большинство теорий основывается на рассеянии турбулентными флюктуациями в атмосфере [387]. В одном из теоретических подходов [34, 112, 113]

пространственная шкала флюктуаций диэлектрической проницаемости описывается функцией пространственной корреляции. Общее уравнение рассеяния было приведено [175] к объемно-интегральному уравнению, которое дает общую плотность рассеянной энергии в точке приема, отнесенную к мощности, излучаемой изотропным источником в единице телесного угла.

Рис. 23.9. Распространение радиоволн при тропосферном рассеянии: а — Геометрические соотношения при рассеянии впередг средний уровень сигнала как функции частоты; в качестве параметра взята дальность. (См. [50].)

Получено выражение [277, 279] для временной функции корреляции диэлектрической проницаемости, которая позволяет рассчитывать рассеиваемую мощность.

В другом теоретическом подходе [203, 204] трехмерные флюктуации коэффициента рефракции, которые предполагаются статистически стационарными, рассматривались как спектр, составляющие которого обладают тройной периодичностью. Для небольших участков спектра источником рассеяния является воображаемый куб со стороной в полволны; поле вычисляется для наиболее благоприятного фазирования по всем координатам. Исследование показало, что если допустить уменьшение направленности антенны, которое обычно имеет место при увеличении длины волны, то среднеквадратичное значение поля рассеяния, выраженное в долях к полю в свободном пространстве, не сильно изменяется во всем частотном диапазоне, в котором проводились наблюдения.

Была выдвинута теория [107], в которой предположено, что распространение при рассеянии является результатом некоррелированных отражений от слоев тропосферу. Основные локальные неоднородности возникают при относительно резких изменениях диэлектрической проницаемости поперек горизонтальных плоскостей. Если представляет угол скользящего падения волны на такую плоскость, то коэффициент отражения будет

при условии, что При комбинировании эти отражения создают луч с преимущественным направлением в область дифракции на поверхности Земли. Пусть линейные размеры отдельного слоя, измеренные в поперечном и продольном направлениях относительно направления распространения, равны соответственно бис. Размеры слоев могут изменяться в широких пределах, но преимущественно с больше, а меньше размеров зоны Френеля. Принимаемая мощность тогда определяется выражением

Практически, вероятно, и с в среднем примерно равны, и поэтому Отражение в направлении на приемник может иметь место от слоев, расположенных как по дуге большого круга, так и вне ее. Если в общем объеме V имеется N участвующих в рассеянии слоев на единицу объема, то

Выражения для и слоев в общем объеме можно получить посредством интегрирования. Были сделаны также другие оценки потерь передачи [96, 97, 248, 358].

Если луч очень узкий, то от антенны нельзя получить коэффициент усиления, свойственный свободному пространству. Такие потери связи апертуры со средой возникают по той причине, что сигналы достигают приемника от протяженного объема рассеивания. Сужение луча антенны в конечном итоге уменьшает общий объем в большей степени, чем возрастает коэффициент усиления антенны и в результате возникают потери коэффициента усиления. Эта проблема была количественно проанализирована [37] и позднее обобщена [228, 278] для несимметричных диаграмм направленности и антенн с различными размерами [366, 381]. Влияние качания [249, 312, 313] передающей и приемных антенн одновременно по азимуту и углу места должно привести к увеличению угла рассеяния и, следовательно, к уменьшению принимаемой мощности.

Тропосферное рассеивание происходит в очень широком диапазоне частот [48, 132], но самая полезная область находится в пределах от до Значение среднего уровня сигнала для различных частот и расстояний, полученных Буллингтоном [50], приведено на рис. 23.9, б. Полосу пропускания, в которой для одного пункта приема частоты окажутся скоррелированными, можно вычислить, если оценить [37] разность путей распространения волн, рассеиваемых верхней и нижней границами рассеивающего объема. С этой точки зрения крайне желательно использовать узконаправленные антенны; так, например, если на расстоянии с антенной,

имеющей усиление 40 дб, задержка (разность) во времени составила около 0,16 мксек, то это соответствует полезной полосе пропускания около

Явление тропосферного рассеяния представляет практический интерес [38, 63 , 259, 323] для организации линий дальней связи, использующих передатчики с большой мощностью и антенны с высоким усилением. Линии связи, использующие тропосферное рассеяние, подвержены федингам, которые по существу можно разбить на две группы [227, 246, 270]. Быстрые фединги являются результатом многолучевого распространения в атмосфере и довольно точно подчинены релеевскому распределению амплитуд; так, например, фединг в 20 дб следует ожидать в течение одного процента времени передачи, а фединг в 30 дб — в течение времени передачи. Скорость таких федингов возрастает с увеличением расстояния или частоты и достигает нескольких раз в минуту. Под медленными федингами понимают изменения уровня сигнала в течение часа и более; они связаны с изменениями средней рефракции атмосферы и почти не зависят от частоты. В точке далеко за горизонтом изменение среднечасовых значений в децибелах подчинены нормальному закону со стандартными отклонениями около 8 дб.

Были проведены измерения [20, 150, 151, 250, 355] путей распространения при рассеянии на расстояниях до нескольких сотен километров; полученные экспериментальные данные, вообще говоря, хорошо согласуются с различными теориями рассеяния [347]. Например, большая серия экспериментов, проведенная [79] на дальности по поверхности Земли в с использованием частот была ориентирована на то, чтобы лучше понять механизм распространения. Различные направления исследования касались вопросов влияния размеров антенны на уровень сигнала и характеристики федингов, частотной зависимости, сезонных и суточных эффектов и полезной полосы пропускания среды. Полученные результаты можно истолковывать в разрезе теории отражающих слоев.

Для определения потерь при распространении и их сезонных изменений в дневное время были произведены записи напряженности поля для линии длиной по поверхности Земли в на частоте Передатчик работал в режиме непрерывных колебаний с выходной мощностью а антенна с параболическим отражателем диаметром формировала горизонтально поляризованный луч шириной 3,8° при усилении 33 дб. Потери на пути распространения были наибольшими зимой и наименьшими летом; при среднем значении потерь 98 дб отклонения при усреднении за месяц составляло 9,9 дб, при почасовом усреднении дб. Типичная скорость быстрых федингов составляло

При экспериментах на линиях с дальностью распространения

166 и 320 км была использована [249] несущая частота при амплитудной модуляции с частотой антенна диаметром формировала вертикально поляризованный луч шириной 3°, что соответствует усилению 35 дб. В процессе изучения потерь при распространении и федингов было замечено, что самолет, попадающий в луч, дает серию интерференционных биений и увеличивает средний уровень сигнала. Эксперименты [300] на частотах 1,25, 3,22 и 9,4 Ггц, выполненные на линиях длиной показали, что скорость федингов почти линейно возрастает с частотой. При измерении с остронаправленными антеннами было обнаружено, что рассеянное поле попадает в зону приема под углами, которые в несколько раз превосходят углы, вычисленные теоретически. В экспериментах по распространению радиоволн [173] над холмистой местностью на расстояниях и на частотах полученные значения потерь при распространении согласуются с дифракционной теорией, обобщенной для несферической Земли.

Были проведены на частоте измерения особенностей распространения на линии длиной на одном конце которой имеется участок протяженностью 96 км, проходящий над водной поверхностью; мощность передатчика в непрерывном режиме составляла а антенны с параболоидами диаметром давали усиление 36,5 дб. Данные, собранные за годичный период времени, показали, что общее изменение среднечасовых значений потерь при передаче составляет 58 дб. Распределение потерь за месячный или более длительный период является приблизительно гауссовым, причем среднее значение и стандартное отклонение за год составили соответственно 147,9 и 6,0 дб. Для лучшего представления различных характеристик распространения радиоволн были также проведены эксперименты [62] на сложных линиях земля — море на частотах и при длине линии Результаты показали, что при таких условиях передачи в случае использования остронаправленных антенн и передаваемой мощности порядка нескольких киловатт можно обеспечить надежное распространение радиоволн с хорошей полосой пропускания. Другие данные [49], полученные на линиях земля — море длиной и на частотах показывают, что быстрые и медленные замирания находятся в соответствии с теорией. Однако прогноз уровней сигнала на длительный срок может оказаться ошибочным в пределах до дб и поэтому потери при распространении, которые могут превышать соответствующую величину в свободном пространстве на 60—80 дб, следует вычислять на основе предварительных экспериментов на других линиях.

На морских трассах при изучении распространения за счет рассеяния [164] особое внимание уделялось кратковременным федингам. Передатчик работал на частоте и имел мощность в импульсе длительностью 1,8 мксек при частоте повторения использовалась горизонтальная поляризация, причем коэффициенты усиления передающей и приемной антенн составляли

соответственно 34 и 18 дб. При измерениях на трассе порядка скорость федингов колебалась в пределах 1—5 раз за несколько минут, а амплитуда превышала 25 дб. При использовании двух приемных антенн оказалось, что корреляция сигналов при расстоянии между антеннами в 60 см была очень высокой, слабее — при расстоянии 90 см и почти равна нулю на расстоянии Изменение среднего уровня сигнала за трехнедельный период составляло 18 дб. Были проведены и другие эксперименты по распространению над морем для определения различных связанных с расстоянием характеристик.

В одной из серий экспериментов [153] на частоте исследовалось распространение импульсных сигналов, посылаемых одной из двух береговых передающих станций на корабельную приемную станцию с калиброванным приемником; корабль находился в море на расстояниях до Результаты показали, что сигналы можно было принимать на расстояниях, соответствующих области сверхдифракции. На границе этой области уровень принимаемого сигнала при стандартных атмосферных условиях был на 50 дб ниже соответствующего уровня сигнала при распространении в свободном пространстве; коэффициент ослабления составлял В другой серии экспериментов [152] на частоте также было обнаружено, что коэффициент ослабления согласуется с полем рассеяния. Однако средний уровень оказался ниже на 10—15 дб, что не противоречило теории.

Эксперименты [326] на линиях длиной на частоте проводились с приемной антенной системой, состоящей из шести параболоидов диаметром смонтированных рядом вплотную в горизонтальной плоскости. Любое количество таких антенн может быть подключено параллельно, в результате чего при соответствующем фазировании образуется антенная решетка, раскрыв которой может изменяться в пределах от 1,2 до Были получены данные потерь связи раскрыва со средой, скорости федингов в зависимости от размеров антенны, данные о корреляционных расстояниях между антеннами, перпендикулярными к пути луча, о влиянии среднего ветра на скорость федингов и усиление антенны и о скорости турбулентных завихрений. Были также изучены свойства среды на трассе длиной методом качания [325] частоты. Передатчик, работающий на частоте был модулирован на частоте в полосе с частотой 1000 гц, а полоса пропускания приемника при этом несинхронно изменялась в том же диапазоне со скоростью 30 раз/сек. Передающая антенна имела диаметр а прием велся на антенны с диаметром 2,4 или или же Было найдено, что полоса пропускания лежит в пределах что находится в близком соответствии с расчетами, основанными на относительном времени задержки в общем объеме. Эксперименты [359] на частоте при длине трассы дали величину стандартной девиации для флюктуации частоты порядка 0,6 гц.