Области, существенные для распространения радиоволн

Физическое представление об электромагнитном поле, распространяющемся в пространстве, дает основание полагать, что перенос энергии электромагнитного поля происходит не по нитевидному каналу пространства, не по прямой линии, соединяющей антенны корреспондирующих станций, а в определенном объеме пространства.

Для определения размеров и формы этой области воспользуемся принципом Гюйгенса — Френеля (рисунок 3). Он гласит, что каждый элемент воображаемой поверхности , охватывающей излучатель , служит источником вторичной сферической волны (элементом Гюйгенса), и полное поле в точке приема в определяется суммой этих вторичных волн.

Поскольку форма не имеет значения, возьмем в качестве нее часть сферы, расположенную на расстояниях и от точек и и перпендикулярную траектории прямой волны (рисунок 3).

Рисунок 3 − Элементы Гюйгенса на фронте волны

Выделим на фронте волны отдельные элементы Гюйгенса в точках . Тогда поле в точке приема будет определяться суммой полей от каждого элемента. Так как расстояние между точкой приема и отдельными элементами различно, то вторичные поля придут в точку с различным набегом фазы. А это, в свою очередь, означает, что можно выделить области на фронте волны, где волны складываются синфазно или почти синфазно, а также области с противофазным сложением. На основании этого положим, что разность хода между точками равна половине длины волны, т.е. . В первом приближении можно полагать, что поля, создаваемые в точке приема каждым элементом Гюйгенса одной зоны, синфазны. Очевидно, что поля любой пары соседних зон противофазны друг другу (поле первой зоны противофазно полю второй зоны, поле второй зоны противофазно полю третьей зоны и т.д.).

Рисунок 4 − Зоны Френеля

Зонами Френеля называют концентрические поверхности волнового фронта в форме кольца (для первой зоны в форме круга), которые имеют равные площади (рисунок 4). Причем, площади всех зон равны

где — площадь -й зоны Френеля; − ее радиус:

.

Фазы элементов Гюйгенса в пределах каждой зоны отличаются не более чем на . Чередование фаз по зонам Френеля условно показано знаками «+» и «−». График совокупного действия зон Френеля приведен на рисунке 5. Он показывает зависимость отношения напряженности поля в точке наблюдения к полю свободного пространства от числа зон Френеля . Поле в точке будет иметь наибольшую величину, равную удвоенному полю свободного пространства, при отверстии, соответствующем размерам первой зоны Френеля, и при затенении других зон радионепрозрачным экраном. С увеличением числа зон Френеля в отверстии амплитуда напряженности поля в точке колеблется около значения напряженности поля свободного пространства. При отверстии площадью 8—12 зон Френеля колебания настолько уменьшаются, что поле практически не отличается от поля свободного пространства.

Рисунок 5 − График действия зон Френеля

Таким образом, в формировании поля в точке участвует часть пространства вблизи линии , охватывающая до 8−12 зон Френеля. Данная часть пространства называется областью, существенной для распространения радиоволн. Это понятие широко используется при изучении распространения на линиях, где электрические параметры тракта неоднородны. Например, при распространении радиоволн над земной поверхностью ослабление поля зависит от степени затенения существенной области поверхностью Земли. Если высоты антенн таковы, что часть существенной области затенена, то потери в тракте существенно возрастают.

Отметим, что существенная область имеет форму эллипсоида вращения, фокусы которого находятся в точках передачи и приема. Максимальный радиус эллипсоида, соответствующего -й зоне Френеля, равен и находится посередине трассы, где , а − расстояние между точками приема и передачи.

Тогда радиус существенного эллипсоида, ограниченного восемью зонами Френеля

.