Учет рефракции радиоволн

Рефракцией называется искривление траекторий волн, обусловленное неоднородным строением тропосферы. Коэффициент преломления в тропосфере

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.

Т.к. ε и n по величине близки к единице, пользуются коэффициентом преломления, выраженным в «N-единицах»:

N = (п — 1) ・ 10⁶

Основное влияние па рефракцию оказывают вертикальные неоднородности ε, которые характеризуются вертикальным градиентом диэлектрической проницаемости

g = dε / dh, (15)

где h — высота над поверхностью земли.

Обычно g принято считать отрицательным, когда ε уменьшается с высотой, и положительным, когда ε с высотой возрастает. Горизонтальные неоднородности ε значительно меньше вертикальных и проявляются чаще всего на границе суши с морем.

Распространение радиоволн на интервалах обычных РРЛ происходит в приземном слое тропосферы толщиной десятки — сотни метров, где метеорологические параметры, а, следовательно, и g подвержены особенно сильным временным и пространственным изменениям вследствие перепадов температуры и влажности, вызванных влиянием подстилающей поверхности.

Эквивалентный радиус Земли

Для приближенного учета рефракции вводят понятие эквивалентного радиуса Земли аэ, справедливое при линейном изменении ε с высотой. В действительности в тропосфере в среднем ε убывает с высотой по экспоненциальному закону. Но для сравнительно тонких слоев, к которым можно отнести приземный слой, участвующий в переносе энергии на трассах РРЛ, это упрощение допустимо.

Под величиной аэ понимают такое значение радиуса Земли, при котором траектории радиоволн можно считать прямолинейными, причем

а_э = а / (1 + а_g / 2), (16)

где а = 6370 км — геометрический, радиус Земли.

При g=0: аэ = а, т. е. рефракция отсутствует. На практике часто применяют понятие коэффициента рефракции

K_э = а_э /а

Виды рефракции

В зависимости от значений g и аэ различают следующие виды рефракции радиоволн в тропосфере (рисунок 5).

Отрицательная рефракция или субрефракция, которая наблюдается при g>0, а_э<a, K_э<1. яубрефракция появляется при возрастании влажности воздуха с высотой, причем наиболее часто осенью или весной во время утренних приземных туманов. Она нередко носит местный характер и отмечается на трассе РРЛ или ее участке, где имеются низины, и застаивается холодный воздух.

Положительная рефракция, которая наблюдается при g<0, аэ>а, Kэ>1.

Рисунок 5- Виды рефракции в тропосфере

Частные случаи положительной рефракции

1 Стандартная рефракция при g = –8・10-8 м–1; а_э = 8500 км; Kэ = 4/3. Это наиболее распространенный случай рефракции, обусловленный средним состоянием тропосферы. Рефракция, близкая к стандартной, наблюдается чаще в дневные часы.

2 Повышенная рефракция при g < –8・10-8 м–1; а_э > 8500 км. Наиболее

часто отмечается в вечерние, ночные и утренние часы летних месяцев, а иногда в эти же часы весной или осенью. Причиной возникновения являются температурные инверсии (увеличение температуры воздуха с высотой) и резкое уменьшение влажности с высотой, связанные с нагреванием и охлаждением земной поверхности испарением с почвы, сменой теплых и холодных воздушных масс и т.д.

3 Критическая рефракция при g_к = –2/а = –31,4・10-8 м–1; аэ = ∞, т. е. траектория волны концентрична земной поверхности. Условия возникновения те же, что для повышенной рефракции.

4 Сверхрефракция при g < –31,4・10-8 м–1, аэ принимает отрицательные

значения. В этом случае волны преломляются к поверхности земли, отражаются от нее, снова преломляются и т.д. Распространение радиоволн при сверхрефракции называют волноводным, так как оно происходит в пределах тропосферного волновода. Волноводные условия распространения возникают также при резких изломах высотного профиля диэлектрической проницаемости воздуха, вызывающих сильные отражения радиоволн.

Волноводы могут появляться в приземном (приводном) и в приподнятом слоях воздуха. При этом они обнаруживаются как по всей трассе, так и на отдельных ее участках. Волноводные условия распространения возникают главным образом над теплыми морями, реже — над сушей, в районах с ровной подстилающей поверхностью. В южных морских районах в летние месяцы тропосферные волноводы могут наблюдаться до 30-50% времени, в сухопутных — до 10 %.

Несмотря на значительное увеличение дальности связи при волноводном распространении (сотни километров), это явление не может быть использовано для практических целей из-за малой вероятности появления волноводов. Его следует рассматривать как источник дополнительных замираний или помех на интервалах РРЛ, работающих на одинаковых или близких частотах.