Некоторые результаты исследований распространения радиоволн на трассе большой протяжённост в тропосфере

РАДИОТЕХНИКА, СИСТЕМЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ, АНТЕННЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ

УДК 621.371

В.А. Алимов1, В.И. Есипенко2, Ю.С. Коробков1, В.И. Морозов1

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН НА ТРАССЕ БОЛЬШОЙ ПРОТЯЖЁННОСТ В ТРОПОСФЕРЕ

Нижегородский научно-исследовательский радиофизический институт (НИРФИ)1, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева2

Приведены некоторые результаты исследований распространения радиоволн СВЧ диапазона в тропосфере на аэростатной радиотрассе протяжённостью 184 км в Нижегородской области. В ходе эксперимента зарегистрированы быстрые (10-15 %) флуктуации амплитуды принимаемого сигнала, наблюдалась деполяризация радиоизлучения при его распространении в атмосфере Земли. Дана соответствующая физическая интерпретация результатов исследования. Показано, в частности, что заметные амплитудные флуктуации СВЧ сигналов на трассах большой протяжённости могут вызываться турбулентными неоднородностями тропосферы. Вместе с тем, поляризационные эффекты в турбулентной атмосфере даже на таких протяжённых трассах оказываются незначительными. Но отражение радиоволн от сильно шероховатой земной поверхности может вызывать заметную деполяризацию СВЧ-радиоизлучения при распространении его на аэростатной трассе большой протяжённости.

Ключевые слова: тропосфера, распространение радиоволн СВЧ диапазона, аэростатная радиотрасса большой протяжённости, флуктуации амплитуды сигнала, деполяризация радиоизлучения.

Вопросы распространения радиоволн на наземных трассах в пределах прямой видимости и влияние атмосферы Земли на прохождение через неё радиоволн изучались в ряде работ (см., например, [1,2] и цитированную там литературу). Однако при этом соответствующие исследования касались распространения радиоволн сверхвысоких частот в основном на трассах протяжённостью 20-60 км. В то же время особенности распространения радиоволн СВЧ диапазона на трассах большой (до 200 км) протяженности в тропосфере изучались лишь в специфических условиях гористой местности [1, 3, 4]. Применение аэростатов в качестве радиоретрансляторов открывает возможности исследований распространения СВЧ радиоволн на тропосферных трассах большой протяжённости с обычным рельефом земной поверхности. Некоторые результаты соответствующих исследований на одной из таких радиотрасс изложены далее.

Схема эксперимента

Эксперимент по распространению радиоволн в тропосфере проводился на аэростатной радиотрассе протяжённостью 184 км в Горьковской области в дневное время суток. Передатчик, установленный на борту аэростата, излучал монохроматический сигнал. Длина волны излучения составляла 6 см. На борту аэростата применялась слабонаправленная ди-польная антенна вертикальной поляризации. Приём осуществлялся в наземном пункте на остронаправленные (коэффициент направленного действия порядка 40 дБ) антенны вертикальной и горизонтальной поляризаций, ориентированные на аэростат. Высота подъёма

© Алимов В.А., Есипенко В.И., Коробков Ю.С., Морозов В.И., 2014.

аэростата над поверхностью Земли составляла Н ~ 2000 м, так что передатчик находился в пределах прямой видимости приёмника. Принимаемый сигнал контролировался на спектро-анализаторе СЧ-60 и регистрировался на бумажной ленте самописца Н-338-1П.

Результаты эксперимента и их интерпретация

В ходе эксперимента устойчиво регистрировалась основная, вертикально поляризованная компонента излучения. Отношение мощностей принимаемого сигнала и собственного шума приёмника соответствовало расчётному значению 25 дБ, характерному для условий распространения сигнала в свободном пространстве на трассе протяжённостью 184 км. Амплитуда сигнала вертикальной поляризации, как правило, испытывала быстрые (10 - 15)% флуктуации. На антенну горизонтальной поляризации принимался быстро флуктуирующий полностью рассеянный (индекс амплитудных флуктуаций практически был равен единице) сигнал с уровнем на 22 дБ ниже уровня сигнала вертикальной поляризации.

Амплитудные флуктуации основного сигнала (сигнала вертикальной поляризации) были, по-видимому, обусловлены влиянием турбулентных неоднородностей приземного слоя (на высотах до Н ~ I км) тропосферы.

Действительно, рассмотрим следующую модельную задачу. Пусть точечный источник, расположенный на расстоянии от плоского слоя с турбулентными неоднородно-стями, характеризуемыми трёхмерным пространственным спектром диэлектрической проницаемости [2]:

_11 2

ФЕ

Хт

(Хт = 592,10 - внутренний масштаб турбулентности, С2 - структурная константа ) излучает

10

монохроматический сигнал, который принимается на выходе неоднородного слоя толщиной 2.

Относительные флуктуации принимаемого излучения в этом случае описываются следующим выражением [2]:

5

6

(AA) = 0,14CE2k 6 \

Ao 0

7

dx .

Здесь k = — - волновое число. X

Интеграл в (2) вычисляется [5] и при Zo = 2 имеем:

7 11

ч

где Г (а) - гамма-функция [5].

Учитывая, что в нашем случае

V

AA 1 1 1

(—)2 = 0,1 -0.15, k = 1см-1, z = 107 см

2

из соотношения (3) получаем СЕ = 5 • 10- см 3.

Это значение находится в хорошем соответствии с известными характерными значе-

ниями величины С2 для атмосферной турбулентности приземного слоя тропосферы [2].

Обратимся теперь к эффекту деполяризации принимаемого излучения, наблюдавше-

муся в нашем эксперименте. Согласно существующим представлениям [2], явление деполя-

Z

ризации СВЧ радиоволн при распространении их в тропосфере Земли пренебрежимо мало. Однако следует заметить, что это утверждение базируется на анализе эффекта деполяризации света турбулентными неоднородностями атмосферы [6,7] и, строго говоря, справедливо лишь для случая, когда основное влияние на деполяризацию излучения оказывают крупномасштабные (в размерах длины волны излучения) неоднородности. Если же последнее условие не выполняется, а в условиях нашего эксперимента длина волны излучения могла быть и больше некоторых характерных размеров турбулентных неоднородностей тропосферы, то необходим более общий подход к решению соответствующей задачи.

Рассмотрим следующую задачу. Слабонаправленный источник, расположенный на расстоянии гд от плоского слоя с турбулентными неоднородностями диэлектрической

проницаемости в^х,у,2), излучает линейно поляризованную (вдоль оси х) волну Ео (Еох ,0,0), а приём ведётся на линейно поляризованную вдоль у антенну на выходе неоднородного слоя толщиной 2. Тогда для поля Е^ сигнала на выходе приёмной антенны имеем [6, 8]:

Еу =

2 + да +да / \

Ш/П)

1к г—г

д

0 —да —да

г — г

ду

Е ^

Еох - '

дх

dx йу ёг ,

где г (0,0,2) и г (х , е , 2 ) - радиусы-векторы точки наблюдения и точки рассеяния излучения

в неоднородном слое соответственно;

/

диаграмма направленности приёмной антен-

ны [8]; п =

г — г

г — г

(начало координат расположено на оси х в начале неоднородного слоя).

Учтём, что по условиям нашего эксперимента приём излучения ведется на остронаправленную антенну так, что рассеяние радиоволн происходит в узком конусе с раствором

порядка — 1 (й - характерный масштаб приёмной антенны) и падающая на неоднород-й

ный слой волна (при 20 > 2 ) является квазиплоской. Проводя необходимые преобразования,

во многом аналогичные [6], несложно получить следующее выражение для относительной величины средней интенсивности деполяризованной компоненты электрического поля принимаемого излучения:

Е2

Еу

Е1

2 да % 2 Г 5

8к2

{х^М ёХг ,

где х =

Х

х2 +

гх2

V 2к 2 + 2о у

(ср. [6] ).

Для случая колмогоровской турбулентности (1) интеграл в соотношении (5) вычисляется. В результате, с учётом [5], имеем:

Е

11

у _

Е2

= 0.5 Ла

5 1

р3 Г 1—3 У 2 ^ V И* 4 2р6 2 2 Г [-! >

+ 2* 2 -1 ЧбЖ

Г

11

'2 Р2\

5 6'

521

6 3 6

; ру

е

0

2

2

о

2

6

В (6) введены следующие обозначения:

А = 0.033С,

2 л2г Е 16к2 '

а =

1

2к г + г

-2

р = агт

у =

-2

о У

2

г

о

2 (аь а2;Р17 Р2; ру) - обобщённая гипергеометрическая функция [5]. В предельном случае, когда внутренний масштаб турбулентности во много раз меньше длины волны излучения X, а точнее параметр

ру =

Г1 г Л

1о г0

г + го У

XX 1,

(в нашем случае X = 6 см, 1а = 10 1см [2], ъ = ъ0 ) из соотношения (6) находим

Е

2 _2

'у ^2 л г

= 0,033 С

Е]х ' Е 16к2

2к

А

Аф

6

Учитывая характерные значения параметров задачи, соответствующие условиям вы-

_2

полнения эксперимента ( С2 « 5 •Ю-14 (см 3), ъ « ъ0 = 107(см), к > 1(см-1)), из соотношения (7) получаем

Еу = 3,3•Ю-7 .

Е 2

Еох

Е 2

Еу

Это значение выше характерных значений величины —у- для эффектов деполяриза-

Е

2

ох

ции света в турбулентной тропосфере [6,7]. Однако оно заметно ниже величины деполяризации сантиметрового радиоизлучения, наблюдавшейся в нашем эксперименте

Е 2

Еу = 7 •Ю-3

Е 2

Еох

Объяснение эффекта деполяризации СВЧ-радиоизлучения во время нашего аэростатного эксперимента, по-видимому, состоит в следующем. На радиотрассе была довольно протяжённая возвышенность. Угол скольжения волны, падающей от бортового источника аэростата на эту отражающую земную поверхность, составлял 9« 5 •Ю-3. Возвышенность была покрыта лесом, так что её можно рассматривать как сильно шероховатую поверхность с крутыми наклонами неровностей (отдельных деревьев). Как известно [9], при отражении от такой поверхности должна наблюдаться практически полная хаотизация и деполяризация падающего излучения. При этом относительная величина мощности диффузной горизонтально поляризованной компоненты сигнала будет равна (с учётом ламбертовского характера рассеяния и экранировки отражённого сигнала при 9 хх 1) [9]:

Е2у = Я2-9,

Е 2

Еох

где Я - среднее значение коэффициента отражения радиоволн от земной поверхности.

В условиях нашего эксперимента (малые углы ( 9 хх 1) скольжения падающего сантиметрового излучения на отражающую поверхность, высокий уровень влажности в приземном слое тропосферы) величина Я = 1 [1]. Тогда из последнего соотношения имеем

2

Е = 5-10"3,

Е 2

Eox

что находится в хорошем соответствии с измеренным значением интенсивности деполяризованной, горизонтальной компоненты принимаемого сигнала.

Итак, турбулентные неоднородности тропосферы могут вызывать заметные амплитудные флуктуации СВЧ сигналов при распространении их на трассе большой протяжённости. Вместе с тем, поляризационные эффекты в турбулентной тропосфере даже на таких протяжённых радиотрассах незначительны. Однако отражение радиоволн от сильно шероховатой земной поверхности может вызывать заметную деполяризацию СВЧ-радиоизлучения при распространении его на аэростатной радиотрассе большой протяжённости.

Библиографический список

1. Калинин, А.И. Распространение радиоволн на трассах наземных и космических радиолиний /

A.И. Калинин. - М.: Связь, 1979.

2. Прохождение радиоволн через атмосферу Земли / Ю.А. Кравцов [и др.]. - М.: Радио и связь, 1983.

3. Троицкий, В.Н. Распространение ультракоротких волн в горах / В.Н. Троицкий. - М.: Связь, 1968.

4. Алимов, В.А. // Радиотехника. 1987. № 10. С. 49.

5. Интегралы и ряды. Элементарные функции / А.П. Прудников [и др.]. - М.: Наука, 1981.

6. Татарский, В.И. // Известия вузов. Радиофизика. 1967. Т.10, Л 12. С. 1762.

7. Кравцов, Ю.А. // Известия вузов. Радиофизика. 1970. Т. 13, Л 2. С. 281.

8. Рытов, С.М. Введение в статистическую радиофизику. Ч. II / С.М. Рытов, Ю.А. Кравцов,

B.И. Татарский. - М.: Наука, 1978.

9. Басс, Ф.Г. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности / Ф.Г. Басс, И.М. Фукс. -М.: Наука, 1972.

Дата поступления в редакцию 03.10.2014

V.A. Alimov, V.I. Esipenko, U.S. Korobkov, V.I. Morozov

SOME RESULTS OF RESEARCH OF RADIO-WAVE PROPAGATION ON THE ROAD A LARGE EXTENT IN THE TROPOSPHERE

Nizhny Novgorod research Institute of Radiophysics, Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alexeev

Purpose: Results of research on the propagation of microwave range in the troposphere on the balloon radiotrance length of 184 km.

Desing/methodology/approach: Experimental results on the detection of fast fluctuations of signal amplitude are re-dused.

Findings: Given the physical interpretation of the study results. It is shown that significant fluctuations in amplitude may be caused by turbulent inhomogeneities in the troposphere.

Research limitations/implications: The reflection of radio waves from very rough earth surface can cause significant depolarization of microwave radiation on the slopes of great extent.

Originality/value: Polarization effects in turbulent troposphere on the slopes of the large extent be insignificant.

Key words: troposphere, results, spreading microwave frequency range, radio wave, troposphere balloon radio route, fast amplitude fluctuation, visible depolarization.