Rádióhullámok terjedése ionizált gázokban

Jelenkorunkban számos olyan távközlési alkalmazás létezik, amelynél számításba kell venni, hogy a kommunikáció nyomvonalán az átviteli közeg ionizált gázt tartalmaz. Az ionizált gázok jelenléte segítheti, vagy gátolhatja az információátvitelt.

Az egyik legfontosabb és legmeghatározóbb ionizált gázt tartalmazó közeg a földi ionoszféra. Ionizált gázok nagyobb mennyiségben előfordulnak még a Van-Allen sugárzási övezetben, a Napszélben, valamint a bolygóközi térben is.

Az ionoszféra jelenléte a Föld-Föld irányú rádiós összeköttetéseket segíti, hiszen nélküle horizonton túli, nagy távolságú összeköttetéseket nem lehetne megvalósítani. A Föld-Űr, Űr-Föld irányú rádiós összeköttetéseket egy határfrekvencia alatt viszont lehetetlenné teszi, mivel a rádióhullámok egy részét visszatükrözi, vagy elnyeli.

Ionizált gázok veszik körül a légkörbe csapódó meteorokoat és visszatérő űrjárműveket.

Ionizált gázok hatása a rádióhullámokra

Azt a frekvenciát, amely frekvencia alatt az ionizált gáz a rádióhullámokat 90°-os beesési szög (φ) mellett visszatükrözi, plazmafrekvenciának nevezzük. Az ion- illetve töltött részecskék koncentrációjának függvényében ez a frekvencia meghatározható:

$f_{pl}\approx {\sqrt {80.8N}}$

Ha figyelembe vesszük a töltött részecskék töltetlen részecskékkel való ütközéseit, melyek során a hullám elektromos része hővé alakul át, akkor az ionizált gáznak félvezető tulajdonsága van, melynek fajlagos vezetőképessége, valamint relatív dielektromos tényezője az alábbi képletekkel fejezhető ki:

$\sigma _{pl}\approx 2.82*10^{-8}{\frac {Nf_{v}}{\omega ^{2}}}$

$\epsilon _{pl}\approx 1-80.8{\frac {N}{f^{2}}}$

Az ionkoncentráció csökkenésével az ionizált közeg határfelületére 90°-ban beeső rádióhullámok áthatolnak a közegen, és minél inkább csökken a koncentráció, annál laposabb szögnek kell lennie a hullám beesési szögének ahhoz, hogy az visszaverődjön az ionizált közegből.

$\phi _{max}=arcsin{\sqrt {\epsilon _{pl}}}$

A visszaverődési határfrekvencia is kiszámítható a φ szögben beeső rádióhullámokra:

$f_{max}={\sqrt {\frac {80.8N}{sin^{2}\phi }}}$

• f – A rádióhullám frekvenciája
• f_pl – plazmafrekvencia
• f_v - töltött részecskék és a semleges részecskék ütközési frekvenciája
• ω – a rádióhullám körfrekvenciája
• ε_pl – a plazma relatív dielektromos állandója
• σ_pl – a plazma fajlagos ellenállása
• N - a töltött részecskék koncentrációja

A beesési szög függvényében a terjedés a következőképp alakul:

A frekvencia függvényében a terjedés a következőképp alakul: