Глава 4. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов
4.1 Общие закономерности распространения радиоволн
При работе систем радиосвязи, телерадиовещания и радиосистем многих других типов в земных условиях уровень сигнала, принятого после его прохождения по трассе распространения от передающей антенны, зависит от характеристик местности на трассе, а также от изменчивости тропосферы и ионосферы в зависимости от сезона года, времени суток и ряда других условий. Вследствие этого радиосигнал на входе приемника имеет паразитные амплитудно-фазовые изменения, которые принято называть замираниями Существует восемь основных механизмов распространения радиоволн:
- через тропосферный волновод;
- посредством земной волны;
- посредством ионосферной волны;
- посредством пространственной волны (состоящей из прямой волны и волн, отраженных от различных поверхностей и слоистых неоднородностей атмосферы);
- посредством дифракции радиоволн;
- посредством тропосферного рассеяния;
- в пределах прямой видимости;
- посредством рассеяния на гидрометеорах атмосферы.
При этом к долгосрочным механизмам распространения радиоволн относятся прямая видимость, дифракция, тропосферное рассеяние, которые могут являться носителями как полезных, так и мешающих сигналов (см. рис. 4.1).
Вероятностные расчеты уровней полезных и мешающих радиосигналов различных частот для различных трасс обычно производятся в соответствии с Рекомендациями Международного Союза Электросвязи (МСЭ или ITU), в разработке которых в течение многих десятилетий принимали участие специалисты многих стран. Большой вклад внесли и ученые нашей страны. В частности, сотрудник НИИР д.т.н. А.И. Калинин в течение многих лет являлся вице-председателем исследовательской комиссии МСЭ по вопросам распространения радиоволн.
Рис. 4.1 Механизмы распространения долговременных помех
К краткосрочным механизмам распространения радиоволн относятся тропосферное рассеяние, рассеяние на гидрометеорах, тропосферный волновод и некоторые другие. Эти механизмы распространения вследствие краткосрочности их действия являются только носителями помеховых сигналов, хотя также вызывают и увеличение уровней полезных сигналов. Для решения задач ЭМС в общем случае необходимо знать характеристики распространения как полезных, так и мешающих сигналов, которые для повышения надежности статистических данных принято различать, а именно: представляющие интерес данные для полезного сигнала соответствуют области значений уровней ниже его медианного значения, а мешающего сигнала – выше его медианного значения.
4.2. Особенности распространения полезных радиосигналов
Диапазон частот 10 кГц…30 МГц
На частотах ниже 30 кГц потери при распространении радиоволн приближаются к уровню потерь при распространении в свободном пространстве. При этом распространение радиоволн этих частот в волноводе, образованном нижней границей ионосферы и поверхностью Земли, может происходить на очень большие (десятки тысяч км) расстояния. В этом случае полагают, что полезные сигналы в основном распространяются земной волной, а мешающие – ионосферной. Для расчета напряженности поля земной волны в этом случае используют кривые напряженности поля, которые учитывают диэлектрическую проницаемость и проводимость земной поверхности и справедливы при низко расположенной приемной антенне.
Рис. 4.2. Аномальные (кратковременные) механизмы распространения помех
В поддиапазоне 1…30 МГц преобладающим механизмом становится распространение за счет ионосферной волны, при этом для расчета напряженности поля используют специальные карты ионосферных прогнозов, которые учитывают состояние ионосферы в зависимости от месяца года, времени суток и других условий.
Потери при распространении радиоволн в свободном пространстве (т.е. в условиях прямой видимости в вакууме) называются основными потерями радиолинии и рассчитываются по формуле:
, дБ, (4.1)
где R – длина трассы “по дуге большого круга” (т.е. по выпуклой поверхности Земли), км; f – частота, МГц.
Диапазон частот 30МГц … 1 ГГц
В этом диапазоне, за исключением самых нижних его частот, распространение радиоволн за счет отражения от ионосферы не происходит. Влияние метеоусловий приводит к появлению сверхрефракции и тропосферных волноводов, которые есть следствие инверсии градиента индекса рефракции атмосферы (нарушения монотонного уменьшения диэлектрических свойств атмосферы по мере увеличения высоты над поверхностью Земли). Другими существенными отклонениями от распространения в свободном пространстве в этом диапазоне являются тропосферное рассеяние и дифракция радиоволн на выпуклости Земли и на препятствиях на трассе распространения. Для учета тропосферного рассеяния радиоволн используется Рекомендация МСЭ-Р Р.369, а для учета дифракции на выпуклости Земли используется Рекомендация МСЭ-Р Р.526. При расчетах распространения радиоволн в условиях города используется Рекомендация МСЭ-Р Р.529 и модель Окамура-Хата. При этом учитываются расстояние, высоты расположения передающей и приемной антенн, процент застройки зданиями вблизи расположения приемной антенны, степень неровности земной поверхности и другие параметры. Иногда радиоволны этого диапазона (до 70 МГц) могут распространяться на большие расстояния за счет локальных неоднородностей ионосферы (так называемый, спорадический слой Еs). Распространение радиоволн этого диапазона в тропосферном волноводе и за счет сверхрефракции рассматриваются в Рекомендациях МСЭ-Р Р.834 и Р.452. При этом учитывается характер трассы (сельская местность, пригород, город), высоты передающей и приемной антенн, а также тип трассы: сухопутная, или морская.
Диапазон частот 3 … 20 ГГц
В этом поддиапазоне действуют все описанные ранее факторы распространения радиоволн, за исключением отражения от ионосферы. Кроме того, в этом поддиапазоне весьма существенное влияние приобретает рассеяние и ослабление радиоволн на гидрометеорах и их поглощение в водяных парах и атмосферном кислороде. В частности, на частотах выше 10 ГГц ослабление радиоволн в дожде может привести к существенному ухудшению качества принимаемого сигнала. Методы расчета поглощения радиоволн за счет этих механизмов их распространения предполагают учет интенсивности дождей и климатологических параметров (давления, температуры и влажности) в различных регионах мира, что описано в Рекомендациях МСЭ-Р Р.837, Р.838, Р.453.
На трассах «Земля-космос» важное значение имеют такие явления распространения радиоволн, как ослабление сигнала, замирания за счет мерцаний и деполяризации сигнала. Учет этих явлений описан в рекомендациях МСЭ-Р Р.679, 680, 681, 682.
Диапазон частот выше 20 ГГц
Основное достоинство этого диапазона заключается в широкой доступной полосе частот и возможности применения антенн с большими коэффициентами усиления. Основной недостаток – высокая подверженность атмосферным эффектам, которые приводят к большим ослаблениям сигнала. Кроме того, данный поддиапазон характеризуется наличием так называемых «окон прозрачности» и «окон поглощения» для радиоволн определенных частот. Наличие этих «окон» обусловлено селективным поглощением радиоволн конкретных частот в газах атмосферы (в основном, в кислороде и в парах воды). В частности, поглощение в кислороде максимально на частотах 60 и 119 ГГц, а в парах воды – на частотах 22 и 183 ГГц.