Мир Знаний

Устройства генерирования и канализации субмиллиметровых волн (стр. 11 из 13)


6. Распространение и применение радиотехнических систем миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн

В последние двадцать лет выполнялись фундаментальные научно-исследовательские работы по изысканию аффективных средств генерации и приема в диапазоне радиоволн от 1 см до 0.1 мм.

Первая приемопередающая аппаратура для генерации ММ излучения на волне 6 мм была создана в России еще П.Н. Лебедевым в 1894 г. Позднее (в 1922 г.) А.А. Глаголевой-Аркадьевой была осуществлена генерация излучения в диапазоне 0,082...50 мм на основе применения оригинального массового излучателя. Первые теоретические и экспериментальные исследования распространения этих волн в атмосфере были проведены Ван Флеком, В. Вейсскоп-фом, Т. Роджерсом, А.Г. Аренбергом, Б.А. Введенским, М.А. Колосовым и др.

В течение долгих лет при освоении спектра ММ радиоволн в мире существовало недоверие к созданию новых перспективных радиотехнических систем для различных применений. Основной причиной подобного критического отношения к новому диапазону радиоволн было отсутствие каких-либо данных по их распространению в атмосфере. Наряду с работами по генерации, усилению СВЧ-колебаний этих волн большие усилия исследователями были предприняты по изучению основных характеристик распространения ММ и субмиллиметровых волн в атмосфере. В результате ряда теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что в отличие от дециметровых и сантиметровых волн ММ и более короткие волны обладают частотно-селективным молекулярным поглощением, испытывают значительное ослабление в различных гидрометеорах, вследствие чет их дальность распространения оказывается существенно меньше общепринятой в диапазоне УКВ. Оказалось, что ММ-волны обладают лучшей помехоустойчивостью, крайне высоким разрешением по углу места, азимуту, дальности и скорости; они могут также обеспечивать высокую скрытность передачи при малых габаритах приемо-передающей радиоаппаратуры и антенн.

Ныне в значительной мере завершается процесс фундаментальных исследований основных характеристик этих новых диапазонов волн. Итогом многих исследований и конструкторских разработок явилось завершение поисков новых принципов генерации, усиления и преобразования СВЧ-колебаний таких волн, создание и освоение в промышленном исполнении многочисленных элементов и узлов новых приемо-передающих радиотехнических комплексов. Все это вместе взятое и положило начало массовому использованию свойств ММ и более коротких радиоволн в реальных действующих радиотехнических системах, что открывает человечеству огромный диапазон частот для многочисленных применений.

6.1 Характеристики распространения

В миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах существует значительное число линий поглощения паров воды, примесных газов и линий кислорода, обладающих постоянными электрическими или магнитными моментами, способными взаимодействовать с электромагнитным излучением. В настоящее время закономерности поглощения изучены теоретически и экспериментально достаточно хорошо на малых расстояниях, однако модели, лежащие в основе ряда теоретических исследований Ван Флска, Т. Роджерса, В. Вейсскопфа, С.А. Жевакина, А.П. Наумова, Дж. Вастина и ряда других, не были адекватными процессам резонансного поглощения, вследствие чего теоретические величины поглощения оказались в 1,5-2 раза по децибелам меньше экспериментальных значений, наблюдавшихся в основном в окнах прозрачности спектра поглощения паров воды. Процесс развития и совершенствования теории квантово-механического поглощения еще далек от своего завершения.

Оказалось, что расчеты коэффициента поглощения паров воды и кислорода путем суммирования спектральных линий с контурами типа линий Ван Флека, Вейсскопфа, Лорентца, Гросса и других авторов обладают ограниченной областью применимости. В случае кислорода не удастся описать эффект нереэонансного поглощения в кислороде, а формальное введение в формулы поглощения дополнительного члена для нерезонансной его части не имеет физическою обоснования в рамках модели упругих соударений. Более того, теория Ван Флека—Вейсскопфа приводит к результатам, противоречащим экспериментам в области наиболее высоких частот, где коэффициент поглощения не стремится к нулю и расходится с экспериментом при больших давлениях.

Это послужило основанием С.В. Титову и Ю.В. Калмыкову предложить и исследовать ансамбль невзаимодействующих полярных молекул кислорода в рамках модели j-диффузии, обобщенной на квантовый случай. В этой модели учитывается инерционность молекул, механизм интерференции линий и когерентность времени их соударений. На основе такой модели и существенно более простою математического аппарата по сравнению с ударными теориями перекрывающихся линий удалось рассчитать поглощение и дисперсию показателя преломления в парах воды и в кислороде, где интерференция линий существенна даже при атмосферном давлении. Установлено, что модель диффузии хорошо описывает поглощение в кислороде, нерезонансное поглощение в широких интервалах изменения давлений и эффект смещения максимума поглощения в диапазон более низких частот с ростом давления, а также частотную зависимость поглощения в парах воды.

Из-за трудностей точного расчета поглощения широкое распространение в научно-технической литературе получили полуэмпирическис методы определения ослабления в парах воды и в кислороде, предложенные впервые А.Ю. Зражевским и позднее Г. Либе и хорошо согласующиеся с экспериментом. Согласно результатам работ величины поглощения в парах воды и в кислороде могут быть представлены в виде аналитических соотношений:

w<57 ГГц

w<63 ГГц

где и коэффициенты поглощения в парах воды и в кислороде, [дБ/км] соответственно;

w - частота излучения, [ГГц]; р - влажность воздуха

при температуре воздуха 20°С [г/м3].

Заметим, что в экспериментальных исследованиях молекулярного поглощения вплоть до последнее времени отсутствовала статистика различных уровней этого поглощения. Накопление этой статистики представляет собой весьма трудоемкую задачу из-за крайне сильной изменчивости значений влажности и ее зависимости от климатических условий.

В настоящее время удельное ослабление в дождях теоретически изучено достаточно полно путем строгого решения задачи о дифракции электромагнитной волны на водяной сфере в случае ансамбля частиц с заданным распределением их по размерам.

При расчетах ослабления в ансамбле капель дождя для реальных значений комплексного показателя преломления воды, заимствованных из результатов экспериментов, факторы эффективности ослабления, рассеяния и поглощения могут быть представлены в виде бесконечных рядов, число членов которых должно иметь порядок X.

Ослабление в сухом снеге не поддается строгой теоретической оценке; однако известно, что оно примерно вдвое меньше, чем в дождях с интенсивностью менее 5 мм/ч. В мокром снеге ослабление оказывается в 2-3 раза больше, чем в дожде той же интенсивности, причем оно не поддается достаточно падежной теоретической оценке. Расчет ослабления в туманах и облаках проводится в приближении однократного рассеяния для различных функций распределения капель по размерам, при этом выполненные расчеты ослабления были проверены на экспериментах в камерах искусственных туманов.

Так как ослабление в этих случаях зависит от частоты и температуры окружающей среды, то для Оперативных оценок ослабления в мелкокапельных гидрометеорах рекомендуется пользоваться приближенной формулой:

где ослабление [дБ/км]; w - частота излучения; T - абсолютная температура [К]; q – водность тумана или облака [г/м3 ].

Заметим, что существующие методы оценки основных компонентов ослабления в атмосфере являются лишь первым приближением к действительности, поскольку атмосфера является постоянно меняющейся средой, и распространение ММ-радио-волн происходит, вообще говоря, в неоднородной атмосфере, поскольку ее параметры изменяются вдоль траектории распространения с высотой над земной поверхностью и во времени. Таким образом, в настоящее время возможно определение средних удельных значений ослабления, зависящих от различных параметров атмосферы, а также вероятности появления этих значений.

Дальность обнаружения объектов в реальной атмосфере.

Используя уравнение радиолокации в поглощающей среде, можно оценить дальность действия РЛС в дожде с учетом молекулярного поглощения

П = П0 - 2q - 2L - 2l/ - 2Sэ + s

где потенциал

П0 = Рпер/Рпр.пер;

q — отношение сигнал шум;

l - относительная длина волны к 1 мм;

L — потери в трактах;

Sэ - относительная эффективная площадь антенны к 1 м ;

s - эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) объекта к 1 м2.

Эффективные коэффициенты отражения и рассеяния радиоволн земной поверхности

Для успешного функционирования радиолокационных средств ММ диапазона необходимы данные о реальных эффективных коэффициентах отражения этих волн объектами и подстилающими поверхностями . В случае достаточно гладких по Рэлею (зеркальных) диэлектрических или металлических поверхностей нетрудно воспользоваться формулами Френеля и рассчитать зависимости модуля и фазы отраженных волн при горизонтальной и вертикальной поляризациях излучения как на дециметровых, так и на сантиметровых волнах. Однако в случаях неровной и шероховатой поверхности расчет эффективных коэффициентов отражения (рассеяния) сопряжен с немалыми математическими трудностями. По современным представлениям рассеивающие неровности могут быть разделены на три категории. Согласно критерию Рэлся для этих поверхностей существует три метода описания эффекта рассеяния радиоволн. Это метод возмущений, для которого характерны относительно небольшие неровности поверхности по сравнению с длиной волны, когда параметр p=2kssinq, где k=2л/l, l - лина волны, s - днеквадратическос отклонение высоты неровности, q - угол места антенны. Метод касательной плоскости, когда р»1 имеют место крупные размеры неровностей, причем задача об отражении решается в приближении геометрической оптики с использованием статистики точек зеркального отражения на случайно-шероховатой поверхности. В случае комбинации крупных и мелких неровностей, когда р=1 можно пользоваться двухмасштабной моделью отражения. В основе этой модели лежит предположение о том, что реальная поверхность является суперпозицией сглаженной поверхности и малых нормальных ее возмущений. Влияние крупных неровностей оценивается нулевым приближением метода касательной плоскости, влияние же мелких - первым приближением метода возмущений. Предполагается также, что оба типа неровностей статистически независимы, а рассеянные поля при этом некогерентны.