МАВЗУ 16. ЕР УСТИ РАДИОТЎЛҚИНЛАРИНИНГ ТАРҚАЛИШИ

16.1. Ер усти радиотўлқинларининг тарқалишида содир

бўладиган физик жараёнлар.

Ер усти тўлқинлари майдонини хисоблаш услубларининг туркумланиши

Атмосфера ва ер шарининг реал хусусиятларини хисобга олган холда, ер юзасига якин бўлган ва атмосферанинг маълум қисмида жойлашган нурлатгич майдонини аниклаш жуда хам мураккаб масалага айланади. Масала ечимини осонлаштириш учун айрим соддалаштиришлар киритилади. Ер шарининг устки қисми электрик биржинсли, сферик ва идеал ясси деб хисобланади. Атмосферанинг электрик параметрлари эркин фазо параметрларидек бир хил кабул қилинади.

Ер тўлқинининг майдони бу майдонлар суперпозициясининг натижаси деб хисобланади. Бу майдон иккиламчи манбалар хисобига содир бўлади, улар уз навбатида хавода ва ерда бирламчи майдон оркали кузгатилган. Ернинг яримутказгичлик хусусиятлари тўлқин энергиясини хаводан ернинг устки катламига (почва) окиб утишига сабаб бўлади. Ер куррасининг сферик шакли тусик сифатида намоён бўлади ва ер усти тўлқинлари горизонт чизиги оркасига тарқалганда бу тусикларни енгиб утади. Енгиб утиш жараёни—бу радио тўлқинлар дифракцияси жараёнидир. Дифракция жараёнида радиотўлқинларни сферик тусик бўйлаб харакати қўшимча йукотишларга олиб келади. Амалиётда дифракция масалаларини хисоблашда бир нечта ташкил этувчиларга бўлиб амалга ошириш мумкин. Хисоб усулларида асосий мезон бу ернинг устидаги антеннани баландлиги ва радиотрасса узунлиги. Бу иккала параметр Френель зоналарини ер курраси билан кай даражада соялаштирилишни, шунингдек дифракция жараёни натижасида майдоннинг сусайтириш конуни белгилаб беради.

Антеннани жойлашиш баландлигига караб масалани икки синфга ажратилади. Биринчи синф масалаларига куйидагилар киради: антеннани урнатилиш баландлиги h >> λ ва бу антенна нурланмайдиган фидер оркали энергия билан таъминланади. Булар кўтарилган антенналардир. Амалиётда бу антенналардан УҚТ диапазонида ва ҚТ диапазонининг айрим қисмида ишлатилади. Иккинчи синф масалаларига куйидагилар киради: бу масалада

h << λ бўлганда паст баландликда жойлаштирилган антенналар радиотўлқинларини дифракцияси жараёни куриб чиқилади. Амалиётда бу ЎУТ, УТ, ЎТ ва оз микдорда ҚТ диапазонидаги ишларга характерлидир.

Ер тўлқинининг тарқалиш йўналишида бўйлаб уч зона ажратилади:

I ёритилган зона, II яримсоя зонаси ва III соя зонаси. Бу 16.1-расмда тасвирланган. «Ёритилган зона» ибораси факатгина кўтарилган антенналардагина маънога эга. Антенналар паст жойлаштирилганда, узатувчи антеннага мос келувчи мухитнинг қисми «якинлаштирилган ясси Ер» деб номлашади, чунки бу зона чегарасида Ер куррсанини деярли ясси деб хисобласа бўлади.

16.1-расм. Радиотрассанинг зоналарга бўлиниши

Яримсоя ва соя зоналарида баланд кўтарилган ва паст жойлашган антенналар учун майдон кучланганлигини хисоблаш Фокнинг умумий дифракцион формулаларига асосан олиб борилади.

16.1-жадвални кўриб чиққанимизда биз қуйидагиларга эътибор берамиз: масалан, денгиз суви учун утказувчи токлар зичлиги ва силжиш токлари орасидаги тенглик 60λσ ≈ ε – факатгина тўлқин узунлиги λ = 0,33 м бўлгандагина ўринлидир. Шунинг учун сантиметрли диапазондаги радиотўлқинлари учун, масалан, денгиз суви диэлектрик сифатида намоён бўлиши мумкин.

16.1 жадвал

Ер устки катламини куриниши	ε	σ, См/м
Денгиз суви	80	1…6
Дарё ва кулларнинг чучук суви	80	10^-3…10^-2
Нам холатдаги ер	10…30	3*10^-3…3*10^-2
Курук холатдаги ер	3…6	1*10^-3…5*10^-3
Музлаган ер	3…6	10^-3…10^-2
Муз (t= - 10^0 C)	4…5	10^-2…10^-1
Кор (t= - 10^0C)	1	10^-6

Нам ер учун бу шарт факат тўлқин узунлиги λ = 17 м бўлгандагина бажарилади. Нам ерни метрли ва ундан қисқа бўлган радиотўлқинлар учун диэлектрик сифатида куриб чикшимиз мумкин. Шундай қилиб, сантиметрли диапазондаги тўлқинлар учун Ер куррасининг барча турлари идеал диэлектрикга якин хусусиятларга эга.

16.2-расм. Тўғри кўриниш масофасини аниқлаш

Шуни таъкидлаб ўтиш керакки, h >> λ холатида ер усти радиотўлқинлари тарқалиш шартларини бахолаганда, радиолиния узунлиги r ва тўғри кўриниш узунлиги (расстояние прямой видимости) r₀ таккосланади (16.2-расм). Узатувчи ва кабул қилувчи антенналар урнатилиш баландлиги h₁h₂<<a, бу ерда а = 6370 км Ер шарининг радиуси, шунинг учун катта айлананинг ёйи бўйича хисобланадиган r₀ катталик тахминан АВ тугри чизик ва га тенг. Албатта, тропосферадаги рефракция холатида га тенг, бу ерда Ер шарини эквивалент радиуси , dN/dh – тропосферадаги синиш коэффициенти индексининг градиенти. Антенналарнинг оддий баландликларда урнатилишида (тахминнан бир неча ун метр) тугри куриниш масофаси бир неча километрни ташкил қилади (тахминан 50…60 км). Шундай қилиб, h >> λ холатида ер усти тўлқинларни тарқатувчи радиотрассанининг бўлиниши куйидаги усулда амалга оширилади:

r ≤ 0,8r₀ – ёритилган зона;

0,8r₀ < r < 1,2r₀ – яримсоя зонаси;

r ≥ 1,2r₀ – соя зонаси.

Ернинг сферик шакли тўсиқни англатади. Бу тўсикни горизонт орқасига тарқалувчи тўлқин енгиб ўтади. Енгиб ўтиш жараёни – бу радиотўлқинларнинг дифракция жараёнидир. Бу жараёнда радиотўлқинлар ноидеал сферик, радиуси 6370 км га тенг бўлган экран бўйлаб ўтади ва катта микдордаги йўқотилишлар билан ифодаланади.

16.2. Катта баландликларга кўтарилган узатувчи ва кабул қилувчи антенналарда радиотўлқинларнинг тарқалиши

Ер усти радиотўлқинларнинг тарқалишини албатта куйидаги оддий усулдан куриб чикиш керак. Узатувчи ва кабул қилувчи антенналар орасидаги масофа қисқа бўлганда Ер куррасини кабариклигини деярли ясси деб хисобласа бўлади. Демак, Ер куррасини бутун трасса давомида текис ва биржинсли деб хисоблаймиз. Масала куйидагича куйилади: геометрик параметрлар берилган: узатувчи ва кабул қилувчи антенналар орасидаги масофа, узатувчи антеннанинг баландлиги h₁ ва кабул қилувчи антеннанинг баладлиги h₂ хамда электрик параметрлар: узатувчи антеннага бериладиган кувват Р₁, узатувчи ва кабул қилувчи антенналарнинг кучайтириш коэффициенти G₁ ва G₂ , тўлқин узунлиги λ, тўлқин кутбланишини тури, ернинг нисбий диэлектрик сингдирувчанлиги ε ва утказувчанлиги σ. Масалада F сусайиш купайтувчисини ва майдон кучланганлигини формула бўйича аниклашимиз керак.

, мВ/м.

1922 йилда академик Б.А. Введенский томонидан кўрсатилгандек, қабул қилиш нуқтасидаги жойлашган антенна радиотўлқининг электрик майдонини биринчи нур ва иккинчи нурнинг интерференция натижаси каби кўриб чикишимиз мумкин. Хаво-Ер чегараси бўйлаб тарқалаётган радиотўлқинларга оид масалаларни ечишда ерни диэлектрик сингдирувчанлигини абсолют комплекс катталиги катта ахмиятга эга.

Одатда, бу курсаткич 10 дан кам бўлмайди, лекин курук кум учун дециметрли диапазонда ε_к = 2…5 бўлади. Ер куррасини радиотўлқинлар кайтариш хусусияти нисбий комплекс диэлектрик сингдирувчанлик билан узвий боглик. Вертикал кутбланиш R_в ва горизонтал кутбланиш R_г учун кайтариш коэффициенти модулини киймати куйидаги формулалардан аникласа бўлади:

,

,

бу ерда γ- сирпаниш бурчаги (угол скольжения).

Бу бурчак γ=arctg ((h₁+h₂)/r) ифодага асосан топилади.

Хаво – ер чегараси бўйлаб тарқалаётган ер усти тўлқини хавода ва ерда токларни кузгатади ва улар уз навбатида иккиламчи майдон манбалари бўлади. Гюйганс-Кирхгоф принципи билан хисоблашган холда Ер устки тўлқининг майдони – бу ердаги ва хаводаги бирламчи майдонлар кузгатувчи тасодифий иккиламчи майдонлар томонидан йўнвлтирилган майдонлар суперпозиция натижалари деб хисобласа бўлади. Ер катламида иссиклик йукотишлар хисобига иккиламчи майдонлар жадаллиги сусайган. Ерни чукур катламларига майдоннинг кириб боришини ер катлами экранлаб туради, бу пастки ярим сферага энергиянинг окиб утишига тусик бўлади.

Кабул нуқтасида майдон кучланганлиги куйидагига тенг:

,мВ/м.

Формула куйидагини кўрсатади: кабул қилувчи антенна жойлашган нуқтада майдон интерференцион тузилишга эга.

r киймати ўзгаришида аргументнинг косинуси хам ўзгаради. Косинус қиймати бирга (1) тенг бўлгандагина майдон максимал кийматга тенг бўлади.

соs [θ + 4πh₁h₂ / (λr)] = 1 да

r_max = 4h₁h₂ / [λ(2N +1)],

бу ерда: N = 0,1,2,…

F_max = 1+R.

соs[θ + 4πh₁h₂ / (λr)] = - 1, да

r_min = 2h₁h₂ / [λ(N +1)], N = 0,1,2,…

F_min = 1 - R .

Синус манфий бирга тенг бўлганда майдон максимал кийматга эга бўлади.

Максимум ва минимумларни хисоби радиотрасса охиридан бошлаб олиб борилади. r ≤ 4h₁h₂/λ бўлганда майдон максимум ва минимумлари кузатилади, r ≥ 4h₁h₂/λ бўлганда эса масофа катталашиши билан майдон кучланганлиги аста секин сусайиши кузатилади.

Интерференцион формулаларини кейинги соддалашган холи. Масофа узайиши билан R киймати 1 (бирга) интилади, Θ эса 180 градусга, у холда:

, мВ/м

ёки

, мВ/м.

Кейинчалик масофа узайиши билан 2πh₁h₂/(λr)≈ π/9 бўлганда, аргумент синусини урнига уни аргументини алмаштирса бўлади (у холда r ≥ 18h₁h₂/λ)

, мВ/м.

r ≥ 18h₁h₂/λ масофаларда майдон кучланганлиги масофани квадрати билан камайиб боради. Шуни ёдда тутиш лозимки, Введенский формулалари ишлатилган холда Ер куррасидан кайтган нур зарарли деб хисобланади, чунки у тугри нур майдонини компенсация қилишга харакат қилади. Кўпгина ихтирочилар зарарли, кайтган нурни компенсация қилиш йўлларини қидиришди. Лекин улар бир нарсага эътибор қилишмади. Нур фазони бир қисмини эгаллагандек, тўлқин хам бир нуқтадан кайтмайди, аксинча эллипсоид шаклидаги горизонтал ўлчамлари 2а_n ва 2b_n бўлган майдондан кайтади. Антенналар урнатилиш баландликлари бир хил бўлгандагина буни куйидаги формула бўйича хисобласа бўлади:

,

2b_n=2a_n×sinγ.

Кўпнурли тузилиш. Вертикал текисликдаги йўналтириш диаграммаси. Антеннани кўзгудагидек аксини хосил этамиз. Учбурчакдан Δr=2h*sinγ, у холда

γ бурчак 0 дан π/2 гача узгаради (0⁰- текис горизонтал нур, 90⁰- зенитга йўналиш (зенит-максимал бурчак)). Бунда (2πh*sinγ)/ λ нолдан 2πh/λ гача узгаради. Мисол сифатида Тошкент Телеминорасини оламиз, баландлиги h₁=350 м, λ=7 м, Δ r =2 h sin γ. Агар вертолет Тошкент РТУМ (телеминора)ни вертикал айланаси бўйилаб учса, у холда 100 та максимум аникланган бўлади (n=2h/λ).

Майдон кучланганлиги хисобланганда Ер юзасининг сферик холатини хисобга олиш

Ер усти тўлқинининг сферик шакли «кайтган тўлқин» фазаси ва амплитудасига таъсир этади, чунки Ер юзасини кавариклиги кайтган тўлқин масофаси узунлигини узгартиради. Радиотўлқинни Ер юзасидан кайтган нуқтасида MN текислиги ва Ер юзасига уринма утказамиз. Антенналар урнатилиш баландлигини Ердан эмас, балки шу текисликдан бошлаб хисоблаймиз. У холда интерференцион формулаларга одатдагидек h₁ ва h₂ амалдаги баландликларни ўрнига h₁^I ва h₂^I «келтирилган баландликлар»ни куйганимизда, кабул қилиш нуқтасидаги майдон кучланганлигини тугри кийматини хосил қиламиз. Интерференцион формулалар ишлатилганда Ер юзаси кавариклигини хисобга олиниши, берилган кийматлар r, h₁, h₂, a_э бўйича «келтирилган баландликлар»ни топилишига олиб келади.

;

ва

, мВ/м;

, мВ/м;

, мВ/м.

Яримсоя ва соя зоналарида майдон кучланганлигини хисоблаш

Манбадан исталган узокликдаги сусайишлар функциясини хисоблаш учун В.А.Фок ифодалар келтириб чикарган. Узатувчи курилмадан унча катта бўлмаган масофада бу ифода интерференцион формулага ухшаб кетади. Аксинча, узок масофаларда бу ечим бир жинсли дифракцион формулага айланарди. Фок «масофа масштаби» L ва «баландлик масштаби» H деган иборалар киритди. Бу, трасса узунлиги r ва антенналар урнатилиш баландликлари h₁ , h₂ улчовсиз бирликларда ифодалашга имкон беради: келтирилган масофа x = r/L, антеннлар урнатилишини келтирилган баландлиги y₁ = h₁/H, y₂ = h₂/H.

Соя зонасида майдон кучланганлигини хисоби ЎУТ, УТ,СВ ва КВ диапазонларида F=U(x) формула бўйича хисобланади. Соя зонасида сусайиш купайтувчисини кийматини хисоблашда графиклардан фойдаланилади. U(x), V(y₁), V(y₂) кийматлари дБ ларда хисобланади, бунда F=U(x)+V(y₁)+V(y₂), дБ. Децибеллардан «марта»га утказиш учун куйидаги формуладан фойдаланилади F=10^FдБ/20. Майдон кучланганлиги киймати E = E₀F формулага асосан топилади, бу ерда Е₀ – эркин фазодаги майдон кучланганлиги.

Ярим соя зонасида келтирилган майдон кучланганлигини погонасини бахолаганда барчага аник бўлган сусайиш купайтувчисини аникловчи усул катта фойда келтиради. Яъни бу масофада интерференцион формулалар майдонни ноль кийматларини курсатади. Бу усул горизонтал кутубланган нурланиш учун ишлаб чиқилган. Вертикал кутубланишда у унча аник бўлмаган натижаларни беради ва λ < 50 см бўлган тўлқинлар учун ишлатилади. Куз билан куринадиган тугри масофа чегарасида сусайиш купайувчиси F=(r₀/L)F(y₁,y₂) формулага асосан хисобланади. F(y₁,y₂) функциянинг киймати купжинсли дифракцион формуладан олинган ва график усулда дБ ларда аникланади. Бу ифода марталарга куйидаги

F=10^{F(y1,y2)дБ/20} формула оркали айлантирилади. Майдон кучланганлиги E=E₀F формулага асосан топилади.

16.3. Ер ости радиоалоқасида радиотўлқинларнинг

тарқалишида узига хос хусусиятлари

МДХ да Ер ости радиоалоқаси бўйича назарий ва эксперементал илмий тадқиқот ишлари олиб борилган. Бу тажрибаларда узатувчи ва кабул қилувчи антенналар Ер остида белгиланган чукурликда жойлашган эди. Радиотўлқинларнинг тарқалиш характерига асосан Ер ости алоқа тизимлари икки турга бўлинади. Ер остида унча катта бўлмаган чукурликда жойлашган узатувчи ва кабул қилувчи антенналар биринчи турдаги алоқа тизимига киради. Бу тизимда радиотўлқинларнинг асосий қисми атмосферадан утади, факатгина радиотўлқинларнинг бир қисми Ер катламини озгина қисмидан утади. Радиотўлқинларнинг харакат йўналиши 16.16 расмда келтирилган. Тўлқин,

16.16-расм. Ер ости алоқасида тўлқин йўли

узатувчи антеннадан тарқалиб кабул қилучи антенна оркали кабул қилинади ва бу жараёнда Ер катламини маълум калинлигидан утгач экспоненциан конун бўйича сусаяди, шунингдек «В» нуқтасида жуда суст майдон хосил қилади. Эксперементал ва назарий тадқиқотлар шуни курсатадики, В нуқтага келувчи тўлқин А нуқтадаги чукурликда урнатилган манбадан кўтарилади ва АА’ масофасида экспоненциал шароитда сусаяди. Сўнгра тўлқин Ер юзаси, яъни Ерни устки қисми бўйлаб харакат қилади. Ер юзасини хар бир нуқтасида бу тўлқин токларни хосил қилади, улар уз навбатида Ерни ичкарисига тарқалувчи тўлқинлар манбаи бўлиб хисобланадилар. Йўналишни ВВ’ қисмида тўлқин экспоненциал шароитда сусаяди. Ер остида жойлашган антенналарни майдон кучланганлигини хисоблашда айни бу чизмадан фойдаланилади. Антеннани фойдали иш коэффициенти кам бўлмаслиги учун, ер антеннаи олдида якин бўлмаслиги керак, чунки бу ерда майдон жуда кучли ва энергияни йуколиши катта. Яни қўшимча йукотишларни бартараф қилиш учун антеннани ховоли мухитга жойлаштиришади. Узатувчи курилманинг кувватига караб бир неча юз километр масофада алоқа урнатиш мумкин. Бундай алоқа тизимларида УТ ва ЎУТ тўлқинларидан фойдаланилади. Асосий халакитларни атмосферадаги шовкинлар ташкил қилади. Иккинчи турдаги ер остки алоқа тизимларида узатувчи ва кабул қилувчи антенналар катта чукурликларда жойлаштирилади: шахталарда еки кудук (скважина)ларда. Бу усулда радиотўлқинлар тарқалиш мухити бутунлай Ерни юкори қисмида жойлашади. Ерни таркиби курук бўлган холдагина радиотўлқинлар тарқалиши амалга оширилади, у холда утказувчанлик 10^-3См/м дан ошмайди. Бу шартлар бажарилганда бир неча километр масофада алоқа урнатиш мумкин. Агар тўлқин частотаси 150…200 кГц ва узатувчи курилманинг куввати 100…200 Вт бўлса тахминан 10 километр масофада алоқани урнатса бўлади.

Катта чукурликда жойлаштирилган антенналар оркали амалга ошириладиган Ер ости радиоалоқаси катта афзалликга эга, у ташки халакитларга учрамайди. Гарчи сигнал Ер катламидан утиб, катта сусайса хам, бу линиялардаги сигнал/шум катталиги бошка Ер юзасидан утувчи турли линияларга нисбатан анча катта бўлади. Паст частоталарда Ер ости радиоалоқа тизимлари, Ер юзасида яъни Ер устида жойлашган радиоалоқа тизимларига нисбатан анча эффектив, самаралидир.

16.4. Радиотўлқинларнинг тарқалишидаги «Учиш ва қўниш майдончалари» хакидаги академик Мандельштаммнинг концепцияси

Узининг шогирдларидан бири бўлмиш Фейнбергга Мандельштамм нобиржинсли трасса устида майдон кучланганлигини хисоблаш тугрисида таклиф киритади. Лекин радиотўлқинлар утмишда барча уйлаганидек оддий тарқалмаслигини таъкидлаб утди. Мандельштамм фикрича радиотўлқинлар энг кам каршилик йўналиши бўйича тарқалар экан (16.17 расм). Расмда курингандек энг катта йукотишлар учиш ва куниш жойларида содир бўлади. Бу йукотишлар Ер юзасини яримутказувчанлигига асосан радиотўлқин энергияси камайтиради. Ер-Денгиз трассасида РИКОВЕРИ - тикланиш эффекти кузатилади.

16.17 расм. Мандельштамм концепцияси

Майдон кучланганлиги погонаси нуқтаи назаридан учиш ва куниш майдончалари яхши утказувчан юзаларда жойлашгани жуда маъкул. Шунинг учун агар узатувчи ва кабул қилувчи антенналр Ерни усти қисми ёмон утказиш хусусиятига эга бўлган жойда жойлашга бўлса, у ерда сунъий заземление (ерга уланиш) барпо этилади ёки симлардан панжара ясаб жойлаштирилади.