Радиоволн в атмосфере

Радиоволны, используемые для радиосвязи, обычно имеют круговую или плоскую поляризацию. При распространении волны в атмосфере поляризация может существенно изменяться и это оказывает прямое влияние на качество связи.

Земная атмосфера представляет собой неоднородную среду, физические свойства которой (проводящие, диэлектрические, оптические и другие) меняются в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Существенное влияние оказывают климатические воздействия, магнитные бури и другие случайные факторы. Атмосферу можно представить как слоисто-неоднородную среду, в которой отдельные слои относительно устойчивы по своим физическим свойствам, а другие подвержены сильным флуктуациям.

Радиоволны при распространении в атмосфере испытывают многократное преломление и отражение на границах этих слоев, а также от земной поверхности. Это позволяет осуществлять радиосвязь на больших расстояниях. На рисунке 71.1, а схематично показано, как радиоволна, отражаясь от земной поверхности и границы раздела слоев атмосферы с разными показателями преломления, огибает поверхность Земли и распространяется далеко за линию горизонта. Для длинных и средних волн особую роль играет ионосфера (самый верхний ионизированный слой атмосферы). Ионосфера способна отражать радиоволны длиннее примерно 10 м. За счет отражения от ионосферы эти волны могут огибать весь земной шар.

При некоторых метеорологических условиях в атмосфере могут возникать слои с повышенным показателем преломления. Радиоволны распространяются в этом слое как по волноводу, испытывая полное внутреннее отражение на границах слоев с меньшим показателем преломления (рис. 71.1, б). Волноводные слои обеспечивают прохождение ультракоротких волн (УКВ) на расстояние до 1 000 км и более.

При плавном убывании показателя преломления с высотой возникает рефракция: радиоволны распространяются по криволинейным траекториям, отклоняясь в область с более высоким показателем преломления (рис. 71.1, в). Явление рефракции способствует огибанию волной выпуклости земной поверхности и увеличивает дальность прямой видимости.

Как следует из формул Френеля, коэффициент отражения зависит от поляризации волны, поэтому и условия распространения для волн с разной поляризацией оказываются различными, что необходимо учитывать при организации радиосвязи. Отражение радиоволн сопровождается изменением их поляризации. При больших дальностях эти изменения могут накапливаться и приводить к существенному изменению качества радиосвязи.

Вследствие анизотропии электрофизических свойств атмосферы радиоволны подвержены влиянию явления двулучепреломления, которое также изменяет их поляризацию. В результате различия показателей преломления обыкновенной и необыкновенной волн они распространяются по различным траекториям с разными скоростями. Это приводит к искажениям принимаемого сигнала, которые влияют на условия приема.

Надежность прохождения радиоволн на пути от передающей до приемной антенн определяет устойчивость работы радиолинии. При этом рассмотренные физические явления отражения, преломления, рефракции, поляризации наряду с интерференцией, дифракцией, рассеянием, поглощением имеют важное практическое значение.

Вопросы для самоконтроля

1. Запишите, как изменяются векторы и в монохроматической волне, распространяющейся в отрицательном направлении оси при условии, что волна имеет поляризацию: а) плоскую; б) левую круговую; в) правую эллиптическую.

2. Почему интенсивность естественного света, проходящего через дихроичный поляризатор, не изменяется при вращении поляризатора?

3. Объясните причины возникновения явления двойного лучепреломления.

4. В чем заключаются эффекты: а) Керра; б) Поккельса; в) Фарадея?

5. Как и почему при отражении естественного света от границы раздела двух диэлектриков изменяется его поляризация?

6. От чего зависит коэффициент отражения электромагнитных волн от поверхности диэлектрика?

Глава 7. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С ВЕЩЕСТВОМ