Rodzaje propagacji fal elektromagnetycznych
Rysunek 1: Fala jonosferyczna, fala przyziemna i fala bezpośrednia
Rodzaje propagacji fal elektromagnetycznych
W transmisji fal elektromagnetycznych w atmosferze ziemskiej wyróżnia się trzy rodzaje propagacji
Fala przyziemna
Jeżeli wypromieniowane fale biegną równolegle do powierzchni ziemi, to nazywamy je falami przyziemnymi lub falami powierzchniowymi. Fale przyziemne rozchodzą się we wszystkich kierunkach wraz ze wzrostem promienia półkuli. Ponieważ jednak powierzchnia ziemi nie ma nieskończonej przewodności, grunt pobiera energię z wypromieniowanego pola (straty ziemskie). Zatem im mniejsza przewodność powierzchni ziemi, tym mniejszy zasięg fal przyziemnych.
Nad wodą morską zasięg fali przyziemnej jest znacznie większy niż nad powierzchnią ziemi, co wynika z większego przewodnictwa właściwego wody morskiej.
Kolejnym istotnym czynnikiem wpływającym na zasięg fali gruntowej jest jej zakres częstotliwości. Wraz ze wzrostem częstotliwości maleje głębokość wnikania pola elektrycznego w grunt, co zmniejsza efektywny przekrój dostępny dla linii energetycznej. Dlatego zasięg maleje wraz ze wzrostem częstotliwości. Tak więc fala przyziemna nie odgrywa roli w zakresie częstotliwości, które są brane pod uwagę dla urządzeń radarowych.
Propagacja fal w troposferze i jonosferze
W ośrodku całkowicie jednorodnym i wolnym od zakłóceń (ośrodek jednorodny) fale kosmiczne rozchodzą się w linii prostej. W dalszej części artykułu zajmiemy się tymi falami kosmicznymi, które docierają do anteny odbiorczej poprzez załamanie lub odbicie w atmosferze ziemskiej. Należy tu dokonać rozróżnienia:
Refrakcja w troposferze
Procesy meteorologiczne mogą powodować gwałtowne zmiany wilgotności i temperatury. Oznacza to również gwałtowną zmianę gęstości powietrza. Ponieważ ciepłe powietrze jest optycznie cieńsze od zimnego, tworzy się warstwa inwersyjna.
Efekt ten jest przyczyną ewentualnego odbicia fal. Ponieważ warstwa ciepłego powietrza na dużej wysokości jest optycznie cieńszym ośrodkiem, fala jest odbijana z powrotem na Ziemię, jeśli padanie jest wystarczająco płaskie.
Warstwy inwersyjne mogą występować na różnych wysokościach, co skutkuje różnymi przewyższeniami.
Odbicie w jonosferze
Dla częstotliwości od 3 MHz do 30 MHz („fala krótka“) jonosfera działa jak reflektor. Wyższe częstotliwości przenikają przez jonosferę, niższe są tak tłumione przez warstwy D i E, że są odbijane tylko chwilowo (głównie w nocy).
Ponieważ przejścia między poszczególnymi warstwami są płynne, prawo „kąt padania równa się kątowi odbicia“ obowiązuje tylko w ograniczonym zakresie. Dodatkowo warstwy te są w ruchu i zmieniają intensywność, więc warunki odbicia ulegają ciągłym zmianom. Ponieważ fala kosmiczna jest również odbijana od ziemi, wielokrotne odbicie powoduje bardzo duże zasięgi dla częstotliwości krótkofalowych. Częstotliwości te nie mogą być jednak wykorzystywane do zastosowań radarowych, z wyjątkiem kilku tzw. radarów Over The Horizon-Backscatter (OTH-B).
W wyniku działania praw refrakcji i odbicia dochodzi do przesileń, w których promieniowanie elektromagnetyczne rozchodzi się dalej niż wynikałoby to z normalnego rozchodzenia się fal w przestrzeni.
Propagacja bezpośrednia
Propagacja bezpośrednia to prostoliniowe rozchodzenie się fal po sferycznej powierzchni ziemi lub w wolnej przestrzeni. Bezpośrednia widoczność między dwoma antenami jest możliwa jedynie wtedy, gdy co najmniej jedna z nich znajduje się na pewnej wysokości nad Ziemią. Dla fal elektromagnetycznych powyżej 100 MHz zwykle nie ma już odbicia od jonosfery. Dlatego dla radaru interesująca jest tylko fala bezpośrednia lub falą w wolnej przestrzeni. Ponieważ fale powyżej tej długości rozchodzą się w stosunkowo prostej linii, a więc zachowują się podobnie do promieni świetlnych, nazywane są falami quasi-optycznymi. Teoretycznie więc można zmostkować tylko połączenie w linii prostej między nadajnikiem a odbiornikiem. Ze względu na krzywiznę ziemi możliwy zasięg zależy również od wysokości anten nadajnika i odbiornika. Teoretycznie zasięg jest więc ograniczony do tzw. radiowego zasięgu wizualnego (radiowego horyzontu).