книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

поверхности Земли; если же М уменьшается с увеличе­ нием высоты h (отрицательный градиент М), то волна искривляется к земной поверхности.

Тропосфера не всегда имеет регулярную структуру. Часто бывает так, что у почвы воздух холоднее, чем в более высоких слоях, нагретых солнечным излучением, или откуда-то поступает поток теплого и влажного воз­ духа. В таких случаях возникает так называемое инверс­ ное состояние; при этом образуются резко разграничен­ ные между собой слои воздуха, а СВЧ-излучение распро­ страняется, отражаясь от этих инверсных слоев, как бы между проводящими стенками волновода. Возникнове­ ние такого «атмосферного волновода» может привести к значительному увеличению дальности распространения волн. При этом, естественно, необходимо, чтобы и прием­ ник и передатчик находились в этом волноведущем слое. В противном случае энергия, распространяющаяся по волновому каналу, будет проходить мимо антенны приемника, так что может иметь место полное пропада­ ние радиосигнала.

Вообще говоря, распространение СВЧ-волн в области за оптическим горизонтом (за счет тропосферной ре­ фракции) связано с более или менее сильным «зами­ ранием» сигнала, поступающего в приемник. Последнее сказывается тем больше, чем дальше находится передат­ чик. Причиной этого замирания является интерференция волн, проходящих от передатчика к приемнику различ­ ными путями, через разные слои воздуха с различными показателями преломления, абсолютные значения кото­ рых могут довольно быстро изменяться. В зависимости от фазы поступающих в точку приема и накладываю­ щихся друг на друга волн их суммарное поле или воз­ растает, или уменьшается. Само по себе это явление оказывается чрезвычайно сложным.

г) Тропосферное рассеяние

В последние годы стал приобретать значение еще один вид распространения волн СВЧ-диапазона — так называемое «рассеянное распространение» (scatter pro­ pagation); оно позволяет достигнуть очень большой даль­ ности передачи. При этом к тому же обеспечивается относительно стабильное поле в точке приема. Механизм

112

рассеянного распространения еще до конца не выяснен, однако можно сказать, что оно связано с неоднородно­ стями воздушной среды, например с турбулентностями. Эти неоднородности отличаются от окружающего воз­ духа величиной диэлектрической проницаемости, а сле­ довательно, и показателей преломления. Если электро­ магнитная волна падает на такую турбулентность, то при этом возникает вторичная волна. Вторичное излуче­ ние происходит в основном в направлении распростра­ нения первичной волны. Если размеры рассеивающей

Стратосфера

области велики по сравнению с длиной волны, то рас­ сеянное излучение оказывается сконцентрированным. Из-за интерференции волны, рассеивающиеся в опреде­ ленных направлениях, зависящих ..от угла падения, мо­ гут взаимно гаситься. Гашение, однако, не бывает пол­ ным, поскольку в зону тени все-гаки попадает некоторая энергия излучения. Угловая зависимость интенсивности рассеянного излучения определяет в конечном счете за­ висимость интенсивности от расстояния. Для установле­ ния дальней связи необходимо, соответственно, наличие рассеивающих неоднородностей' на больших высотах, для которых угол между направлением падающего излу­ чения и направлением на приемник достаточно велик. В случае хорошей направленности антенн действует только та область пространства, в которой пересекаются основные лепестки диаграмм направленности передаю­ щей и приемной антенн (рис. 67).

Поскольку при рассеянном распространении только малая часть излучения попадает вновь на Землю и на­ пряженность поля в точке приема очень мала, в этом

случае необходим передатчик с большой мощностью, а направленные антенны передатчика и приемника дол-, жны иметь большой выигрыш. При этом, конечно, должно быть обеспечено попадание рассеянного излу­ чения в приемник. Колебания напряженности поля, свя­ занные с турбулентным движением рассеивающей обла­ сти в зоне неоднородности, сказываются гораздо меньше при использовании разнесенных приемников. Ослабление сигнала в случае связи на тропосферном рассеянии из­ лучения на 60-^80 дб больше, чем в случае распростра­ нения в свободном пространстве (на такое же рас­ стояние) .

д) Поглощение в атмосфере

Если длинные волны проходят в атмосфере без су­ щественного затухания, то на сверхвысоких частотах

Рис. 68. Молекулярное поглощение миллиметро­ вых волн парами воды (7,5 г/мъ) (сплошная кри­ вая) и кислородом (штриховая кривая).

заметно сказывается поглощение атмосферы. Это по­ глощение объясняется двумя причинами. Первая из них связана с молекулярной абсорбцией атмосферных газов и пара и обусловлена квантовыми переходами в моле­

114

кулах. Так, молекула кислорода имеет магнитный мо­ мент, который вступает во взаимодействие с вектором магнитного поля волны и может отбирать у нее энергию. Это поглощение имеет место при длине волны от Х=0,5 см до Я=0,25 см (рис. 68). Поглощение в парах воды связано с наличием у молекул НгО дипольного

ские частицы, в которых электромагнитная волна воз­ буждает электрические и магнитные диполи и квадруполи. Волна при этом теряет энергию как за счет рас­ сеяния, так и за счет поглощения. Теория показывает, что полное сечение рассеяния некоторой диэлектриче­ ской частицы сферической формы с заданными свой­ ствами может быть представлено выражением

где ап и Ьп— амплитуды рассеянных волн, которые воз­ буждаются наведенными в частице электрическими и

магнитными диполями. Если еще принять во внимание диэлектрические потери в молекулах воды, то получается общее сечение поглощения частицы (с учетом и рассея­ ния, и дипольного поглощения):

оо

Символ Re здесь означает «действительная часть от...». Комплексные амплитуды рассеяния зависят от диэлек­ трической проницаемости частичек и от длины волны. Чем меньше длина волны по сравнению с величиной ча­ стиц, тем больше получается соответствующее затухание.

Существует однозначная связь между затуханием и количеством осадков. На рис. 69 показана зависимость

сырого воздуха дополнительное затухание составляет на длине волны Л=3 см около 0,01 дб1км.

2. Шумы

Качество и возможная дальность радиопередачи за­ висят от отношения «сигнал/шум». К сигналу, излучае­ мому передатчиком, по пути его распространения приме­ шиваются шумы, которые попадают на вход приемника и усиливаются вместе с полезным сигналом. Усиление сигнала имеет смысл лишь в том случае, если он за­ метно выделяется над уровнем неизбежных помех. При заданном качестве передачи максимальная дальность определяется отношением мощности передатчика к ми­ нимальной мощности на входе приемника, достаточной для выделения сигнала (этим минимальным сигналом определяется пороговая чувствительность приемника).

а) Внутренние шумы

Понятием «шум» определяют обычно беспорядочные колебательные процессы, описываемые статистическими законами. В каждом генераторе или усилителе электро­ магнитной мощности содержится некоторая собственная колебательная энергия, проявляющаяся в статистиче­ ских колебаниях выходного напряжения или тока. Энер­

1.16.

гия колебаний, т. е. колебательная мощность, отнесен­ ная к частоте, которую отдает потребителю согласован­ ное активное сопротивление, определяется соотношением

где k — постоянная Больцмана (1,38* 10-23 вт • сек/0К) и Т — абсолютная температура в °К. При комнатной темпе­ ратуре Т= 7,0=290° К энергия равна 1£Г=4-10~21 вт-сек. Выражение (87) справедливо и для антенны, если счи­ тать, что Т есть температура поля излучения, в котором находится антенна.

Статистические колебания в усилителе или приемнике характеризуют обычно коэффициентом шума F. Этот коэффициент определяет уровень мощности, который должен поступать в антенну, чтобы при этом на выходе приемника имело место равенство сигнала и шума. Если антенна находится в поле излучения с температурой Т&,

точных шумов усилителя, характеризует уровень вну­ тренних шумов приемника. Усиление имеет смысл только в том случае, когда TJTQ по величине не превосходит

F — 1.

б) Внешние шумы

Попадающая извне в антенну мощность помех по­ ступает преимущественно из космического пространства

иявляется следствием излучения Солнца и других источ­ ников радиочастотных помех, как, например, радиозвезд

ипотоков космических лучей, которые, отклоняясь кос­ мическими магнитными полями, также могут излучать Исследование этого излучения является задачей радио­ астрономии (раздел VII).

Земная атмосфера также вносит на сверхвысоких частотах свой шумовой вклад. Причина этого связана с упоминавшимся уже молекулярным затуханием волн

сантиметрового и миллиметрового диапазонов в кисло­ роде и других газах и парах. Рис. 70 показывает зави­ симость космического (галактического) и тропосферного излучения помех от частоты. Излучение космических по­ мех возрастает с уменьшением частоты, достигая на ча­ стотах ниже 100 Мгц (Х=3 м) шумовой температуры

Рис. 70. Коэффициент шума и шумовая температура малошумящего усилителя галактического и тропосферного из­ лучения.

порядка 1000° К и более. Граница этих шумов на длин­ ных волнах определяется экранирующим действием ионосферы, которая задерживает излучение, идущее из космоса к Земле. Излучение тропосферных помех воз­ растает с повышением частоты. Накладываясь друг на друга, суммарное излучение от обоих источников харак­ теризуется минимумом мощности помех в области ча­ стот между 1000 Мгц (Я=30 см) и 10 000 Мгц (^=3 см) для антенны, направленной вертикально, в зенит. Для меньших углов подъёма антенны излучение тропосфер­

118

ных помех возрастает и соответствует волновому сопро­ тивлению пространства с шумовой температурой около 300° К.

Из рис. 70 видно, что для установления радиосвязи между Землей и спутниками или другими искусствен­ ными космическими объектами и планетами наиболее подходят частоты от 1000 до 10 000 Мгц, поскольку в этом диапазоне излучение помех слабее всего. Однако эго может представлять интерес лишь в том случае, если для данных частот имеются достаточно малошумящие усилители. На рис. 70 приведены для сравнения минимальные достижимые значения шумовых темпера­ тур таких усилителей. В интересующем нас частотном диапазоне для создания малошумящих приемных устройств больше всего подходят параметрические уси­ лители и молекулярные усилители (мазеры), которые характеризуются чрезвычайно низкой шумовой темпе­ ратурой.

Самая высокая чувствительность может быть достиг­ нута с молекулярным усилителем. Его применение наи­ более оправдано в системах радиосвязи между Землей и космическими объектами, поскольку последние нахо­ дятся в области пространства, волновому сопротивле­ нию которых присуща низкая шумовая температура (несколько градусов по Кельвину). Это справедливо, од­ нако, лишь для вертикальной (или близкой к верти­ кальной) ориентации антенны. Для меньших углов подъема (например, при радиосвязи со спутником, вы­ ходящим из-за горизонта, или в случае наземной радио­ связи) применение молекулярного усилителя не дает ни­ каких преимуществ, поскольку при этом сама трасса связи имеет температуру порядка 300° К. В таких слу­ чаях используют параметрические усилители или лампы бегущей волны, которые уступают молекулярному уси­ лителю по чувствительности, но зато значительно де­ шевле.

3. Радиорелейные линии

Направленная радиосвязь с использованием сверх­ высоких частот стала находить применение после второй мировой войны в связи с необходимостью одновременной передачи на значительные расстояния большого числа

119