Формирование ЭМО и ее характеристики

Как и во всех предыдущих случаях, на формирование ЭМО излучающими элементами РЭС проводящие свойства земли будут оказывать самое существенное влияние. При этом характеристики ЭМО над поверхностью земли и в ее толще существенно отличаются друг от друга.

Поля излучения РЭС над поверхностью земли. Можно выделить три возможных варианта формирования ЭМО над поверхностью земли:

- в ближней от антенны области без учета поглощающих и отражающих свойств земли (т.е. в зоне «прямой видимости»);

- с учетом отражения от поверхности земли;

- при распространении радиоволн над поверхностью земли.

Первый из возможных вариантов формирования ЭМО тесно связан с узконаправленным действием зеркальных антенн РЛС, имеющих ярко выраженную узкую диаграмму направленности, например игольчатого типа.

Для направленных антенн существенным оказывается учет распределения интенсивности излучения по сечению луча, которое изменяется от максимального значения на его оси почти до нуля на периферии луча.

Для наиболее распространенного типа антенн РЛС с параболическими отражателями распределение интенсивности излучения характеризуется формулой

где Q – отношение интенсивности излучения в точке приема, расположенной под углом υ к оси главного луча, к интенсивности на его оси;

J₁(kR sin υ) – функция Бесселя первого порядка;

R – половина размера раскрыва антенны, м;

k – коэффициент распространения радиоволн, м^–1.

Как видно из рисунка 4.2, первый максимум приходится на ось излучения υ = 0. Первый минимум наступает при kRsin υ = 3,8.

На последующие максимумы приходится обычно несколько процентов мощности излучения.

При kRsin υ ≤ 1,62 значение Q – (υ) = 0,5Q(0) соответствует так называемой ширине диаграммы направленности на половинной мощности, которая считается техническим параметром РЛС и указывается в паспорте. При этом ширина диаграммы направленности по нулям примерно в два раза больше ее ширины половинной мощности.

Рисунок 4.2 - Диаграмма направленности зеркальной антенны

Таким образом, чтобы рассчитать напряженность поля в любой из точек, по сечению луча при излучении направленными антеннами необходимо в формулу (4.3) внести коэффициент (4.5). Если для описания ЭМО применить не энергетический, а электродинамический подход, то в выражение для напряженности поля следует коэффициент (4.5) подставлять в степени 1/2.

Угол υ, определяющий отклонение точки наблюдения от оси луча, может быть выражен через линейные параметры: r – расстояние от антенны до точки наблюдения от оси луча (рисунок 4.3). В том случае, когда r > а,

где а определяется через линейные параметры (рисунок 4.3) в виде алгебраической суммы

а)	б)

Рисунок 4.3 - Общие случаи взаимного расположения антенны РЛС и точки приема в зоне ее излучения: а – α > 0; б – α < 0

Возвышение антенны над точкой приема Δh = h_а – h_в + ΔH принимает отрицательные или положительные значения в зависимости от того, будут ли они откладываться вверх или вниз от оси луча антенны. Величина приближения или удаления оси луча от линии горизонта также будет иметь разные знаки в соответствии со знаками угла а и определяется зависимостью l = 0,0175ra.

Преимущество выражения (4.6) очевидно, так как на практике всегда легче определить линейные координаты расположения точки приема по отношению к горизонту или оси антенны по сравнению с ее угловыми координатами.

В том случае, когда диаграмма направленности антенны такова, что на некотором расстоянии от антенны часть ее излучения падает на землю, как показано на рисунке 4.4, в точке наблюдения будет не только прямой, но и отраженный луч. Чтобы учесть влияние земли на распространение радиоволн над ее поверхностью, в теории распространения радиоволн вводится коэффициент ослабления

Рисунок 4.4 - Сложение прямой и отраженной волны

Рисунок 4.5 - Зависимость коэффициента ослабления волн излучения в точке приема ослабления радиоволн от расстояния при их отражении от поверхности земли

где R₃ – коэффициент отражения радиоволн от земли;

θ – угол изменения фазы (потери фазы) прямого луча.

Приведенная формула справедлива для случаев, когда h_а и h_а >> λ, что соответствует КВ и УКВ диапазону.

Для большинства встречающихся на практике видов поверхностей земли коэффициент отражения радиоволн R₃ близок к единице, а угол потери фазы θ стремится к 180°. Тогда

Как показано на рисунке 4.5, функция F(r) – периодическая и ее п-й максимум наступает при r₁ = 4πh_аh_в/λ.

При r > r₁ функция F(r) начинает монотонно убывать и при r ≥ 18h_аh_в/λ переходит в зависимость, определяемую формулой Введенского:

Функция ослабления F(r) зависит от состояния поверхности земли. Для диффузного отражения от негладкой поверхности земли (травяной покров, неровности, шероховатости и т.п.) F(r) = 1.

При отражении от гладкой поверхности для больших углов скольжения и расстояний r ≤ 4h_аh_а/λ в точках максимумов F(r) = 1 + R₃, при малых же (до 3^о) углах скольжения и тех же расстояниях F(r) = 2. При увеличении расстояния, когда угол скольжения остается мал, коэффициент ослабления стремится к F(r) = 4π h_аh_в/rλ.

Таким образом, при определении характеристик ЭМО в точке пространства влияние отражения радиоволн от поверхности земли учитывают введением коэффициента ослабления F(r).

При дальнейшем увеличении расстояния от источника излучения до рассматриваемой точки земля начинает оказывать более существенное влияние на процесс распространения радиоволн, что в конечном итоге приводит к ослаблению и трансформации составляющих напряженности электрических и магнитных полей. Напряженность электрического поля излучения РЭС на расстоянии r от антенны определяется известным из теории распространения радиоволн соотношением Шулейкина-Ван-дер-Поля:

где k – фазовый коэффициент распространения радиоволн, м^–1;

F(ξ) – коэффициент ослабления электромагнитной энергии радиопередачи.

Коэффициент F(ξ) определяет потери электромагнитной энергии в земле при проникновении в ее толщу электромагнитных волн и является функцией параметра ξ, называемого «численным расстоянием». В свою очередь, величина ξ зависит от комплексной диэлектрической проницаемости земли по трассе распространения радиоволн и расстояния от радиостанции до рассматриваемой точки.

Для реальных почв, токи проводимости которых значительно превосходят токи смещения, в результате чего можно считать, что 60 λσ_з << έ и для диапазона средних и длинных волн численное расстояние

Обычно определение коэффициента ослабления F(ξ) по вычисленному значению ξ производится по графикам. При отсутствии графиков коэффициент ослабления приближенно можно определить по формуле

Таким образом, выражение (4.8) позволяет оценить напряженность электрического поля излучения РЭС для любых условий распространения радиоволн.

В процессе распространения электромагнитных волн над поверхностью земли не только происходит их ослабление вследствие конечной проводимости земли, но и возникают дополнительные составляющие поля, отсутствующие при их генерации.

Так, при вертикальной поляризации электромагнитной волны излучения, вследствие взаимодействия тангенциального магнитного поля с землей как проводящим полупространством, возникает горизонтальная составляющая напряженности электрического поля Е_τ, в результате чего происходит так называемый эффект наклона вектора напряженности электрического поля излучения в направлении распространения (рисунок 4.6).

Соотношение между вертикальной составляющей напряженности электрического поля и появляющейся вследствие потерь в грунте горизонтальной ее составляющей можно установить на основе приближенных граничных условий Леонтовича, т.е.

где Е_в – вертикальная составляющая электрического вектора напряженности поля в воздухе, В/м;

Е_τ – горизонтальная составляющая электрического вектора напряженности поля у поверхности земли (в земле и в воздухе), В/м.

Рисунок 4.6 - К определению горизонтальной составляющей напряженности электрического поля у поверхности земли

Для реальных почв в диапазонах длинных и средних волн

При этом ввиду малости (несколько градусов) угла наклона вектора напряженности электрического поля (4.9) может быть записана вместо ее вертикальной составляющей ЕB полная напряженность Е₁.

При излучении антенной РЛС электромагнитных волн горизонтальной поляризации на основе теории взаимности можно утверждать, что формула (4.9) будет выражать и вертикальную составляющую электрического поля.

Подземный район излучения РЭС. Формирование ЭМО в области над поверхностью земли тесно связано с проникновением электромагнитных полей в грунт. При этом существенна границе воздух-земля; проникновение электромагнитных волн в землю при распространении радиоволн над ее поверхностью.

Как и в случае с подземными полями, созданными грозовыми разрядами на процесс формирования ЭМО от излучения РЭС при преломлении радиоволн на границе воздух – земля будет сказываться их поляризация и угол скольжения (рисунок 4.7).

Напряженность электрического поля в земле при вертикальной поляризации излучения

где Е₁ – напряженность поля падающей волны, В/м;

R_в – коэффициент отражения на границе воздух-земля при вертикальной поляризации.

а) б)

Рисунок 4.7. Преломление вертикально-поляризованной (а) и горизонтально-поляризованной (б) электромагнитных волн на границе воздух-земля

При вертикальной поляризации электрического вектора и угле скольжения, близким к брюстеровскому, в грунт передается максимальная энергия. Аналогична в случае горизонтальной поляризации напряженность электрического поля в земле:

где R_г – коэффициент отражения на границе воздух-земля при горизонтальной поляризации падающей волны.

Следует отметить, что для горизонтально поляризованной волны эффекта полной передачи энергии в землю ни при каких углах скольжения не наблюдаются. При малых углах скольжения происходит практически полное отражение как вертикально, так и горизонтально поляризованных волн от поверхности земли, и в ее толщу они практически не проникают.

На процесс формирования ЭМО в земле при распространении радиоволн над ее поверхностью оказывают существенное влияние многие факторы: неоднородность проводимости земли по трассе распространения радиоволн и в глубь земли; различные препятствия (горы, леса и т.п), обладающие способностью поглощать электромагнитную энергию радиоволн; уклоны и подъемы земной поверхности, ее кривизна. Влияние указанных факторов на распространение радиоволн подробно рассмотрено в [8].

Защита радиооборудования подразумевает целый комплекс мероприятий, согласно стандартам IEC (МЭК), стандартам ETSI (Европейского Телекоммуникационного Стандарта) и рекомендациям ITU (Международного Союза Электросвязи).

Для уменьшения вероятности выхода из строя радиооборудования при прямых или близких попаданиях молнии рекомендуется:

- тщательно отнестись к вопросу проектирования и монтажа на объекте молниезащитного заземляющего устройства антенно-мачтового сооружения;

- предусматривать способ его соединения для выравнивания потенциалов с защитным заземляющим устройством электропитающей установки объекта;

- осуществлять заземление экранных оболочек коаксиальных высокочастотных кабелей на тело мачты (токоотвод системы молниезащитного заземления) как минимум в следующих основных точках:

• возле антенного устройства;

• при изгибах кабеля на угол 90° и более;

• при вводе в техническое здание (контейнер).