Распространение УКВ на расстояния, близкие к пределу прямой видимости

При увеличении расстояния нельзя пренебрегать влиянием кривизны земной поверхности. На рис. 32 изображена схема распространения УКВ для расстояний, при которых необходимо уже учитывать сферичность Земли.

Из рисунка видно, что если в точке отражения радиоволн от земной поверхности провести плоскость, касательную к земному шару, и отсчитывать высоты антенн от этой плоскости, а не от поверхности Земли, то получим ту же схему распространения волн, что и в случае плоской земли. Разность хода лучен определится таким же образом, как и раньше. Следовательно, для определения напряженности поля в этом случае в формулу (15) вместо действительных высот антенн h₁ и h₂ следует подставлять так называемые приведенные высоты h'₁ и h'₂, равные расстоянию от точки подвеса антенны до плоскости, касательной к поверхности Земли в точке отражения. Приведенные высоты определяются из геометрических соображений.

При расчете напряженности поля по формуле (15) предполагалось, что волны распространяются прямолинейно. В действительности под влиянием неоднородностей тропосферы происходит рефракция волн, что затрудняет вычисление разности ходов прямой и отраженной волн.

Так как формула (15) проста, наглядна и хорошо проверена опытом, то оказалось целесообразным ввести в нее некоторые дополнения для учета явления рефракции. С этой целью было введено понятие эквивалентного радиуса земного шара, которое позволило приближенно учесть явление атмосферной рефракции.

На рис. 33 изображены сферическая поверхность Земли и расположенная над ней антенна. Излученная волна распространяется по некоторой кривой и в точке приема находится на расстоянии АБ от поверхности Земли. Представим себе, что волна распространяется не по кривой линии, а по прямой. Для того чтобы она проходила при этом на той же высоте над поверхностью Земли, нужно, чтобы изменился радиус земного шара, т. е. нужно заменить действительный радиус земного шара эквивалентным.

Из геометрических соображений можно найти зависимость между кривизной траектории и эквивалентным радиусом земного шара. Кривизна траектории зависит от того, насколько изменяется коэффициент преломления атмосферы при подъеме на единицу высоты, например 1 м. Следовательно, от изменения коэффициента преломления атмосферы с высотой зависит и эквивалентный радиус земного шара R_э. Если траектория волны в атмосфере обращена выпуклостью вверх, то эквивалентный радиус земного шара оказывается больше действительного радиуса. Кажущееся увеличение радиуса земного шара учитывается коэффициентом k:

$$
\begin{equation}
k=\frac{R_\text{э}}{R}
\tag{17}
\end{equation}\label{eq.17}
$$

Коэффициент k следующим образом связан с коэффициентом преломления атмосферы:

$$
\begin{equation}
k=\frac{1}{1-6,37\cdot 10^6\thinspace \Delta n}
\tag{18}
\end{equation}\label{eq.18}
$$

где Δn — изменение коэффициента преломления по высоте атмосферы при поднятии на 1 м.

Использование для расчетов эквивалентного радиуса земного шара дает усредненные значения напряженности поля и обеспечивает получение хороших результатов даже при отклонении закона изменения коэффициента преломления с высотой от линейного.

Как уже отмечалось, под влиянием атмосферной рефракции траектория волны из прямолинейной становится криволинейной. При этом в случае нормальной тропосферы волна проходит на меньшей высоте над Землей на сравнительно большом расстоянии. Таким образом, при тех же высотах антенн дальность прямой видимости увеличивается.

В случае нормальной тропосферы, когда Δn = 4·10^-8 м, эквивалентный радиус земного шара в k = 4/3 раза больше действительного радиуса. В расчетах обычно и принимают это значение k, если только специальные измерения не показали, что коэффициент преломления атмосферы изменяется с высотой как-то иначе. Дальность прямой видимости (в километрах) определится как

$$
\begin{equation}
r_{0\thinspace \text{э}}=\sqrt{2Rk}\thinspace (\sqrt{h_1}+\sqrt{h_2})=4,12\thinspace (\sqrt{h_1}+\sqrt{h_2})
\tag{19}
\end{equation}\label{eq.19}
$$

т. е. под действием рефракции дальность прямой видимости возрастает на 15% (ср. с (13)).

В формуле (15) увеличение радиуса кривизны поверхности Земли учитывается в изменении приведенных высот антенны. При этом приведенная высота увеличивается, а следовательно, увеличивается и напряженность поля в точке приема.

Увеличение напряженности поля на расстояниях, близких к пределу прямой видимости, наблюдается в действительности. Учет влияния рефракции описанным образом дает хорошее совпадение с опытными данными.

Наблюдения за распространением УКВ показывают, что напряженность поля на расстояниях, близких к пределу прямой видимости, непостоянна. Напряженность поля меняется в зависимости от времени года, времени суток, ото дня ко дню. Кроме таких длительных колебаний, наблюдаются быстрые колебания в течение нескольких секунд или минут. Эти колебания называются замираниями.

Медленные колебания напряженности поля вызываются изменениями метеорологических условий. Меняются условия рефракции, кривизна траектории луча, а следовательно, и разность фаз прямой и отраженной волн. Быстрые колебания вызываются флуктуацией преломляющих свойств атмосферы. Под действием местного нагрева и движений в тропосфере преломляющие свойства атмосферы меняются — флуктуируют.

Измерения показали, что замирания на разных частотах не совпадают во времени. При приеме телевизионных передач на расстояниях, близких к пределу прямой видимости, наблюдаются периоды хорошего прохождения сигнала изображения и почти полного пропадания звукового сопровождения или наоборот.