Тема 3 Особенности распространения радиоволн. Принцип Гюйгенса (4/2/2/2 часа)

План лекции

1. Структура атмосферы

2. Классификация радиоволн

3. Распространение радиоволн различных диапазонов

4. Принцип Гюйгенса

При сооружении и эксплуатации радиолиний необходимо учитывать особенности распространения радиоволн на пути от передающей до приемной антенны. Эти особенности различны в зависимости от диапазона частот. Длина радиоволны и частота связаны соотношением: Эту формулу можно представить в виде:

Радиоволны распространяются в атмосфере. Атмосфера простирается на высоту до 1000 км, состоит из тропосферы (10…14 км), стратосферы (слой до 60..80 км), ионосферы (ионизированный воздушный слой малой плотности, переходящий в радиационные пояса Земли). Ионизация атмосферы связана с излучением Солнца. В ионосфере можно выделить четыре слоя:

• слой D – высота 60..90 км;

• слой Е – высота 110…130 км;

• слой F₁ – высота 200…300 км;

• слой F₂ – высота 300…400 км.

Состояние ионосферы непрерывно меняется в зависимости от времени суток и времени года. Неоднородности тропосферы и ионосферы оказывают влияние на особенности распространения радиоволн. В неоднородной среде из-за различных скоростей распространения волн наблюдается искривление или преломление волн (рефракция). Кроме того, на неоднородностях происходит рассеивание энергии радиоволн в различных направлениях. По способу распространения различают четыре типа волн:

• прямые волны, распространяющиеся по прямолинейным траекториям (в пределах «прямой видимости»);

• поверхностные (земные) волны, которые распространяются в непосредственной близости от поверхности Земли и огибают препятствия вследствие явления дифракции. Дифракция наблюдается тогда, когда размеры препятствия соизмеримы с длиной волны;

• тропосферные волны, длина которых меньше 10 м;

• пространственные (ионосферные) волны, которые распространяются на большие расстояния в результате многократного отражения от ионосферы и поверхности земли.

Расчет распространения радиоволн сводится к определению напряженности поля в точке приема при заданных мощности излучения, расстоянии, трассе прохождения, длине волны. Если антенна изотропна, то есть излучает энергию во всех направлениях с одинаковой интенсивностью, то действующее (эффективное) значение напряженности поля в точке приема определяется как:

где мощность, излучаемая источником;

r – радиус сферы излучения, расстояние от источника.

Реальная антенна анизотропна, то есть излучает энергию неравномерно во всех направлениях, поэтому еще необходимо учитывать коэффициент направленного действия (D) по отношению к изотропному излучателю. Передающая антенна излучает в направлении корреспондента мощность в D раз большую, чем изотропный излучатель:

Для расчета при распространении прямых волн используют формулу идеальной радиопередачи, в которой не учитываются потери:

Распространение радиоволн вблизи поверхности и в атмосфере Земли сопровождается потерями энергии, связанными с поглощением, экранированием, дифракцией, рассеянием. Учет этих потерь осуществляется с помощью множителя ослабления который определяется как отношение поля радиоволны при распространении в реальных условиях к полю радиоволны, распространяющейся в свободном пространстве :

Мириаметровые и километровые волны. В этих диапазонах работают радиосистемы навигации, связи, вещания. За счет поверхностной волны возможно распространение на расстояния до 1500…2000 км. Это объясняется сильной дифракцией и малым уровнем потерь энергии в земле, так как все почвы относятся к хорошим проводникам.

Гектометровые волны. Используются для радионавигации, радиосвязи с подвижными объектами и радиовещания. Волны этого диапазона распространяются как поверхностные и как пространственные. Дальность распространения поверхностной волны – 300…500 км. Особенностью этого диапазона является наличие замираний в точке приема. Замирания возникают тогда, когда в точку приема от источника приходит несколько электромагнитных волн по разным траекториям (явление многолучевости). Для борьбы с замираниями используются специальные передающие антенны и автоматическая регулировка усиления в приемнике.

Декаметровые волны. Используются для магистральной радиосвязи, радионавигации, радиолокации. Декаметровые волны могут распространяться как поверхностные и как пространственные. Для этого диапазона характерно явление – зона молчании, то есть вокруг радиостанции образуется область, в которой прием невозможен. Для уменьшения зоны молчания понижают рабочую частоту.

Метровые волны (МВ). Используются для телевидения, высококачественного стереофонического радиовещания, для связи с подвижными объектами, радиолокации; дифракции здесь практически не наблюдается, распространение энергии осуществляется за счет тропосферной волны в пределах прямой видимости. Дальность распространения на расстояние прямой видимости, км:

где высоты подвеса передающей и приемной антенн, м.

Поле в точке приема тропосферной волны характеризуется высокой стабильностью по амплитуде, фазе, малым уровнем индустриальных и атмосферных помех. Это в сочетании с возможностью использования широкополосных видов модуляции (например, ЧМ) обеспечивает высокую помехозащищенность и высокое качество приема.

Связь метровыми волнами возможна до 2000 км (за пределы прямой видимости за счет рассеяния на неоднородностях ионосферы), но большое ослабление при прохождении МВ через ионосферу, невысокая направленность антенн при приемлемых габаритах, невозможность размещения на космическом объекте передатчика большой мощности привели к ограниченному использованию МВ в системах космической связи.

Дециметровые (ДМВ), сантиметровые (СМВ), миллиметровые (ММВ) волны. Используются в телевидении, радиолокации, радиорелейной и космической связи. Волны этих диапазонов не отражаются от ионосферы и в ней не рассеиваются, практически не подвержены дифракции, поэтому распространяются как прямые, а также за счет тропосферной рефракции и рассеяния на неоднородностях тропосферы.

ДМВ практически не испытывают поглощения при распространении в тропосфере. В диапазоне СМВ значительное ослабление сигналов наблюдается, если на трассе распространения идет дождь. Это явление начинает сказываться для волн с см. Еще большее ослабление вносит наличие тумана для волн с см.

Распространение ММВ, кроме погодных условий, в значительной степени определяется молекулярным поглощением в газах, входящих в состав тропосферы (в водяных парах и в кислороде воздуха). Этот тип поглощения связан с нагреванием вещества, ионизацией или возбуждением атомов и молекул, фотохимическими процессами. Молекулярное поглощение носит резонансный характер, то есть зависит от частоты электромагнитной волны, распространяющейся в тропосфере. В диапазоне ММВ имеются четыре области частот с относительно слабым поглощением («окна прозрачности»): в области 8,6 мм, 3 мм, 2 мм, 1,2 мм.

Сильное молекулярное поглощение и полное прекращение связи в ММВ диапазоне во время дождя и тумана ограничивают применение волн этого диапазона в наземных линиях связи, но эти диапазоны можно использовать в космической связи. Однако на линиях Земля – Космос обычно используют волны в диапазоне 4…10 ГГц (7,5…3 см), так как в этом случае минимально поглощение при распространении через ионосферу.

Волны оптического диапазона. Оптическое излучение охватывает диапазон волн от 0,01 до 1000 мкм (частоты от до Гц). Весь оптический диапазон принято разбивать на ультрафиолетовую ( мкм), видимую ( мкм) и инфракрасную ( мкм) области. Специфическими преимуществами волн оптического диапазона являются возможность передачи большого объема информации и возможность достижения высокой степени концентрации излучаемой энергии. Однако использование оптических систем связи в условиях земной атмосферы ограничивается влиянием тракта распространения. Длина волны оптического излучения соизмерима с размерами молекул и различных взвешенных частиц, содержащихся в атмосфере. Это вызывает ослабление поля за счет молекулярного поглощения, рассеяние на молекулах и взвешенных частицах. Взаимодействие оптического излучения с турбулентной атмосферой приводит к изменению траектории пучка волн и его расширению, к ослаблению за счет рассеяния, к ухудшению пространственной когерентности и поляризационным флуктуациям. Для передачи информации с помощью волн оптического диапазона в условиях атмосферы необходимо выбирать рабочие частоты с учетом микроокон прозрачности и точно стабилизировать частоту излучения. В диапазоне волн 0,3…25 мкм в атмосфере существуют окна прозрачности, соответствующие участкам длин волн: 0,4…0,85; 0,95…1,05; 1,2…1,3; 1,6…1,75; 2,1…2,4; 3,4…4,2; 8…12 мкм. Погонное ослабление в окнах прозрачности снижается до 1…10 дБ/км. При распространении в облаках и туманах с размерами капель воды 4…6 мкм погонное ослабление мало зависит от длины волны и при оптической видимости в 200 м составляет 90 дБ/км. Это означает, что при прохождении пути в 1 км интенсивность излучения уменьшается в раз. При распространении в атмосфере лазерного излучения обнаруживаются явления, связанные с возникновением нелинейных эффектов, когда свойства среды становятся зависимыми от интенсивности воздействующего поля.

Фронт волны. Поверхность равных фаз называется фронтом волны. Если характер изменений, происходящих в электромагнитной волне, описывается функцией , то величина определяет фазу волны в пространстве. В прямоугольной системе координат этому уравнению соответствует плоскость, перпендикулярная оси х, электромагнитные волны такого типа называются плоскими. В свободном пространстве реальный источник создает сферические волны. Методы волновой теории поля позволяют выделить из всего пространства ту область, которая наиболее существенно влияет на формирование поля в точке приема на заданной линии.

Согласно принципу Гюйгенса каждую точку фронта волны можно рассматривать как источник новой сферической волны, то есть поле в точке приема определяется суммой полей, создаваемых источниками, расположенными на всем фронте (рис. 4).

Однако существенное влияние на поле в точке М оказывает не весь фронт, а только его часть. Источники, расположенные на поверхности фронта, излучают волны в одной и той же фазе, однако отдельные участки фронта находятся от точки М на разных расстояниях r.

сферический фронт волны

О₃

О₂

О₁

С О М

И сточник точка приема

Рисунок 4 – Сферический фронт электромагнитных волн

Волны от этих источников приобретают различные сдвиги фаз Для суммирования полей фронт радиоволны разбивают на зоны Френеля так, чтобы расстояния от соседних зон до точки приема М отличались на

При этом сдвиг фаз между полями, созданными соседними зонами в точке М, составляет суммарное поле в точке М равно:

где номер зоны.

Амплитуда поля, создаваемого каждой зоной, уменьшается по мере увеличения ее номера. Первая зона представляет собой круг, зоны высших порядков – кольцевые области (рис. 4). Уменьшение поля с увеличением n вызывается тем, что зоны с большим номером находятся на большем расстоянии от точки приема. Практически, суммарное поле в точке приема приближенно равно полю, создаваемому половиной первой зоны Френеля:

Например, если радиоволна распространяется через отверстие в препятствии, имеющем размер половины первой зоны Френеля, то поле в точке приема такое же, как и при распространении радиоволны в пространстве, свободном от препятствий.

Область распространения радиоволн между точками С и М представляет собой эллипс с фокусами в этих точках (рис. 5).

Рисунок 5 – Область пространства, существенная для распространения радиоволны

Рекомендуемая литература [1,2,3,4,12,13,18 ]