1.2 Поверхностные и пространственные радиоволны:

Волны, излучаемые горизонтально и распространяющиеся вдоль земной поверхности в нижнем слое атмосферы называют­ся поверхностными (или земными). Они испытывают поглощение землёй и различными местными предметами, которое тем больше, чем выше частота. В зависимости от частоты эти волны в большей или меньшей степени огибают кривизну земного шара.

Волны, излучаемые наклонно под различными углами к поверхности земли, называются пространственными. Они почти не по­глощаются нижними слоями атмосферы и доходят до ионосферы, где происходит их преломление.

2 Вопрос. Особенности распространения радиоволн различных частотных диапазонов – 30 мин.

Товарищи студенты на предыдущей лекции Вы ознакомились с делением радиоволн на диапазоны (см. таблица 1., Тема 4/1).

На сегодняшнем занятии мы с Вами рассмотрим особенности распространения радиоволн, которые перечислены в таблице диапазонов, начиная со сверхдлинных волн.

А) Особенности распространения радиоволн сдв диапазона.

Мериаметровые или сверхдлинные волны (СДВ), диапазон частот 3-30 кГц, длина волны 100-10 км могут распространяться как земные и как ионосферные.

Земные (поверхностные) волны хорошо огибают кривизну земного шара и различные пре­пятствия. Напряженность поля этих волн убывает с расстоянием довольно медленно, так как по­глощение их энергии земной или водной поверхностью невелико.

Начиная с расстояния 300 - 400 км, помимо земной волны, появляется волна, отраженная от ионосферы (пространственная). С увеличением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700 - 1000 км напряженности полей земной и ионосферной волны становятся примерно равными.

Если земная и ионосферная волны прибывают в пункт приема в противофазе, то результирующая напряженность электромагнитного поля будет минимальной. Такое замирание называется интерференционным.

На расстоянии свыше 2000 - 3000 км земная и ионосферная волны не проявляются по отдельности. Распространение происходят подобно распространению в волноводе, стенками которого служат поверхность Земли и нижняя граница ионосферы.

Важным свойством СДВ является то, что уровень, сигнала почти не зависит от времени года, от метеорологических условий, периода солнечной активности и ионосферных возмущений.

Однако при организации связи на СДВ имеют место следующие недостатки:

- требуются большие мощности передатчиков и громоздкие антенные системы;

- диапазон СДВ имеет малую частотную емкость;

- на радиосвязь в диапазоне СДВ сильное влияние оказывают атмосферные помехи.

Б) Особенности распространения радиоволн kb диапазона

Декаметровые или короткие волны (KB), диапазон частот 3 - 30 МГц, длина волны 100-10 м могут распростра­няться как земные и как ионосферные волны.

Земные волны при относительно небольших мощностях передатчиков, свойственных мобильным радиостанциям, распространяются на расстояния, не превышающие нескольких десятков километров (70 - 100 км), так как они испытывают значительное поглощение в земле, возрастаю­щее с ростом частоты.

Ионосферные волны за счет однократного или многократного отражения от ионосферы при благоприятных условиях могут распространяться на сколь угодно большие расстояния. Их основ­ное свойство состоит в том, что они слабо поглощаются нижними областями ионосферы (слоями Д и Е) и хорошо отражаются ее верхними областями (главным образом слоем F₂, находящимся на высоте 300 - 400 км над землей).

Основными особенностями распространения радиоволн КВ диапазона являются замирания и наличие зоны молчания ("мертвой" зоны).

Замирания возникают в силу непостоянства структуры отражающих слоев ионосферы, ее по­стоянного возмущения и многолучевого распространения волн. Причина замираний в основном сводится к интерференции нескольких приходящих к месту приема лучей, фаза которых вследст­вие изменения состояния ионосферы непрерывно меняется.

Причинами прихода нескольких лучей в место приема сигналов могут быть:

а) облучение ионосферы под углами, при которых лучи, претерпевающие различное число отражений от ионосферы и от земли, сходятся в точке приема;

б) неоднородность ионосферы, приводящая к диффузному отражению волн от различных ее областей, т.е. к отражению пучков множества элементарных лучей;

в) явление двойного лучепреломления под воздействием магнитного поля Земли, благодаря которому два луча, отражаясь от различных слоев ионосферы, достигают одной и той же точки приема.

Рис 2. Многолучевое распространение радиоволн.

Замирания могут происходить также в силу поляризационных флуктуаций волн при отражении от ионосферы приводящих к изменению соотношения вертикальных и горизонтальных составляющих электрического поля в месте приема. Поляризационные замирания наблюдаются гораздо реже интерференционных и составляют 10 - 15 % общего их числа.

Основные способы уменьшения вредного влияния замираний:

- применение направленных антенн;

- применение автоматической регулировки усиления;

- прием на разнесенные антенны, разнос антенн выбирают около 5 – 10 λ.

Зоной молчания называют кольцевую область, существующую на некотором расстоянии от передатчика. Появление зоны молчания объясняется тем, что земная волна затухает и не достигает этой области, а для пространственных волн, попадающих ионосферу под малыми углами, не выполняется условие отражения (рис. 3).

Для уменьшения зоны молчания необходимо:

- уменьшить рабочую частоту;

- применить антенны зенитного излучения и приема.

При организации дальней KB радиосвязи большое значе­ние имеет выбор рабочей частоты. С одной стороны, рабочая частота должна быть меньше максимально применимой часто­ты (МПЧ), с другой - больше наименьшей применимой частоты (НПЧ) Если рабочую частоту выбрать больше МПЧ, то при данном угле излучения она не будет отражаться от ионосферы и уйдет в космос. И наоборот, если рабочую частоту выбрать меньше НПЧ, то радиоволна будет полностью поглощаться слоями Д и Е.

Р ис.3. Зона молчания.

Таким образом, ведение KB радиосвязи ионосферными волнами на заданное расстояние воз­можно лишь на определенном участке частотного диапазона. Ширина этого участка зависит от времени суток и года, а также от фазы цикла солнечной активности. Границы участка могут быть определены с помощью ионосферных карт (ионосферных прогнозов)

В общем случае днем рекомендуется применять наиболее короткие волны (λ=10-25 м). Они отражаются от ионосферы и слабо поглощаются. Ночью необходимо использовать более длинные воины (λ = 35- 100 м). Они отражаются от слоя F при меньшей концентрации электро­нов, которая имеет место в ночные часы. С другой стороны, поглощение этих волн ночью уменьшается, так как исчезает слой Д. В часы полуосвещенности целесообразно использовать волны длиной 25 - 35 м. Оптимальная рабочая частота должна быть на 1 5 % меньше МПЧ.

Кроме того, связь возможна лишь в том случае, если мощности передатчиков и коэффициен­ты усиления применяемых антенн при имеющем место поглощении в ионосфере обеспечивают необходимую напряженность электромагнитного поля в точке приема.

Несмотря на существование целого ряда причин, которые могут привести к неустойчивости KB радиосвязи, она широко используется в военных системах управления.

Основные ее достоинства:

- возможность организации прямых связей на трассах самой различной протяженности при низких энергетических затратах;

- частотная вместимость KB диапазона обеспечивает возможность одновременной работы большого числа радиостанций;

- антенны KB радиостанций при небольших габаритах обладают достаточно высокой эффективностью и вполне приемлемы для установки на подвижных объектах.

в) Особенности распространения радиоволн УКВ диапазона.

Ультракороткие волны (УКВ), диапазон частот 30 МГц - 30 ГГц, не отражаются регулярной ионосферой (за исключением случаен дальнего тропосферного, ионосферного и метеорного распространения), т.е. они не распространяются отраженным радиолучом и почти беспрепятственно проходят через ионосферу.

Принято разбивать диапазон УКВ на следующие участки:

- метровые волны (MB) 10 - 1 м (30 - 300 МГц),

- дециметровые волны (ДЦВ) 1 – 0,1 м (0,3 - 3 ГГц),

- сантиметровые волны (СМВ) 10 - 1 см (3 - 30 ГГц).

Поверхностные волны этого диапазона очень сильно поглощаются почвой и местными предметами. На их распространение оказывает влияние лес, сравнимые с длиной волны выступы земной поверхности (холмы, насыпи, дамбы и т.п.). Уверенный прием сигналов УКВ радиостанций поверхностной волной возможен лишь тогда, когда между антеннами передатчика и приемника можно мысленно провести прямую линию, не встречающую по всей длине каких-либо препятствий. На трассах УКВ радиолиний протяженностью свыше 10 км необходимо учитывать сферичность земной поверхности, влияние которой проявляется, прежде всего, в ограничении дальности геометрической видимости между антеннами корреспондентов.

Для таких радиолиний в качестве важного параметра выступает дальность прямой видимости «Д_о», т.е. расстояние между передающей и

приемной антеннами, при котором прямая, их соеди­няющая, касается Земли (рис.4).

Без учета искривления траектории прямой волны в тропосфере (рефракции) и полного радиуса Земли Rз= 6370 км, дальность прямой видимости можно определить из выражения.

Д_о(км) ⁼ 3,57*( + ),

где h1, h2 - высоты передающей и приемной антенн в метрах.

Дальность связи темными волнами существенно зависит от длины волны. Наибольшая дальность достигается на метровых волнах, особенно на волнах, примыкающих к KB диапазону.

М

етровые волны обладают свойством дифракции, т.e. способны огибать неровности рельефа местности. Увеличению дальности связи на метровых волнах способствует явление тропосферной рефракции, т.е. явление преломления в тропосфере. При нормальном состоянии тропосферы (давление, температура и влажность) луч, соединяющий радиостанции искривляется выпуклостью вверх, что и обеспечивает ведение связи на закрытых трассах.

Рис. 4 Дальность прямой видимости.

С учетом атмосферной рефракции дальность связи несколько увеличивается и может быть определена по формуле:

Д_(км)= 4,12*( _(м) + _(м) )

Несмотря на ограниченную дальность (десятки километров) УКВ широко применяются в военных системах управления. Это обусловлено рядом преимуществ диапазона УКВ,

Основными из которых являются:

1. Большая частотная емкость диапазона (в диапазоне УКВ могут одновременно работать более 20000 широкополосных и 300 канальных радиостанций);

2. Возможность передачи широкого спектра частот, что обусловливает применение многоканальных систем радиосвязи и телевидения;

3. Высокое качество связи (глубина замираний на УКВ линиях прямой видимости в течение 99,8 % времени не превышает 20 дБ, что сближает их с проводными пиниями связи);

4. Помехоустойчивость радиолиний УКВ (объясняется слабым влиянием атмосферных и индустриальных помех, возможностью применения остронаправленных антенн).

Тропосферное рассеивание радиоволн.

Ультракороткие волны дециметрового и сантиметрового диапазонов распространяются как земные волны на небольшие расстояния, а на большие как тропосферные, главным образом за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы.

Тропосфера представляет собой среду, заполненную флуктуирующими (флуктуация - отклонение ветчины от среднего значения) мелкомасштабными неоднородностями диэлектрической проницаемости. Физической причиной флуктуаций диэлектрической проницаемости являют­ся процессы турбулентного (неупорядоченного) перемешивания воздушных масс, во время которого энергия движения превращается, в конечном счете, в тепло.

Неоднородности при попадании на них радиоволн становятся источниками рассеянного излучения.

Кроме того, в тропосфере возникают слоистые образования (например, у резко очерченной границы облаков, на границе потоков теплых и холодных масс воздуха и т.д.). Достигая этих слоистых неоднородностей, радиоволны испытывают от их внешней границы частичные отражения.

Таким образом, множество быстро перемещающихся и меняющих свою форму слоистых неоднородностей, а также мелкомасштабные неоднородности создают множество очагов рассеянного излучения, которые создают результирующее электромагнитное поле в месте расположения приемной антенны в следствии происходящей при этом интерференции возникают замирания, всегда сопровождающие прием рассеянного тропосферой сигнала.

Р ис 5. Схема создания поля в месте приема за счет отражения и рассеяния волн от слоистых и мелкомасштабных неоднородностей.

Большие потери энергии при распространении радиоволн тропосферного рассеяния предъявляют повышенные требова­ния к аппаратуре:

1.Передатчики большой мощности (10 - 100 кВт);

2.Параболические антенны больших размеров;

3. На входе приемников устанавливаются малошумящие параметрические усилители.

На радиолиниях тропосферного рассеяния используются рабочие частоты 300 - 5000 МГц, так как с дальнейшим повы­шением частоты сильно возрастают потери энергии, а для рабо­ты на более низких частотах пришлось бы еще более увеличить размеры антенн.