книги из ГПНТБ / Красюк Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн учеб. пособие

различие в ул при температурах 0 и 40°С не превышает 20%. Из кривых рис. 17.4 следует, что с увеличением интенсивности дождя

иуменьшением длины волны коэффициент ослабления возрастает.

Всухом снеге и граде, не покрытом водяной пленкой, ослабле­ ние значительно меньше, чем в дожде аналогичной интенсивности. Ослабление в тумане и облаках рассчитывается но формуле (17.9). По результатам расчетов на рис. 17.5 построена зависимость коэф­

Под водностью понимается количество водяного пара (в грам­ мах), находящегося в одном кубическом метре воздуха. Водность тумана (облака) колеблется от 0,03 (слабый туман) до 2,3 г/м3 (сильный туман). Коэффициент ослабления радиоволн сантиметро­ вого и миллиметрового диапазонов прямо пропорционален водно­ сти тумана (облака).

Относительно повышенное молекулярное поглощение атмосфер­ ными газами и сильное ослабление миллиметровых волн во время дождя и тумана существенно ограничивают возможности приме­ нения этих волн в наземных линиях радиосвязи. В космических .же линиях связи вне тропосферы миллиметровые волны могут найти широкое применение. В технике связи в последние годы миллимет­ ровые волны применяются при волноводном распространении ра­ диоволн внутри металлических труб с использованием волны типа

497

Г л а в а 18

РАСПРОСТРАНЕНИЕ КОРОТКИХ ВОЛН

§ 18.1. О СОБЕН Н ОСТИ РАСП РОСТРАН ЕН И Я КОРОТКИХ ВОЛН

Как отмечалось, к коротким волнам относятся радиоволны дли­ ной от 100 до 10 м. Они могут распространяться как поверхностные и как пространственные радиоволны. Как было показано в гла­ ве 12, радиоволны, распространяющиеся вблизи земной поверхно­ сти, частично поглощаются почвой, причем с повышением частоты поглощение радиоволн возрастает. Поэтому при используемых

стояния, не превышающие обычно несколько десятков километров.

амплитуды принимаемого сигнала. Основной причиной замираний является многолучевое распространение радиоволн, когда в точке приема происходит интерференция нескольких отраженных от ио­ носферы лучей, фазы которых непрерывно изменяются вследствие непостоянства состояния ионосферы вдоль пути распространения радиоволн. Замирания наблюдаются, например, тогда, когда в точ­ ку приема приходят два луча, распространяющиеся путем одного и двух отражений от ионосферы (рис. 18.2, а).

Эти лучи проходят в ионосфере разные пути, и фазы их неоди­ наковы. Непрерывные изменения электронной концентрации иони­ зированных областей приводят к изменению высот точек отражения каждого из лучей. В результате происходят непрерывные измене­ ния длины пути каждого из лучей, и, следовательно, непрерывно изменяются разности фаз между лучами. Для изменения фазы вол­ ны на 180° достаточно, чтобы длина пути изменилась на KJ2, т. е. на 5-УоО м в диапазоне коротких волн. При общей длине пути, ко­ торая для коротких волн составляет несколько сот или тысяч кило­ метров, изменения длины пути на 5д-50 м всегда имеют место. По­

499

этому на коротких волнах постоянно наблюдаются частые и глу­ бокие колебания принимаемого сигнала.

Замирания могут возникнуть и в результате интерференции в месте приема двух или нескольких лучей, образующихся путем рас­ сеяния радиоволн на флуктуирующих неоднородностях, постоянно присутствующих в ионосфере (рис. 18.2, б). Причиной замирания может быть также интерференция обыкновенной (о) и необыкно­ венной (я) волн, образующихся в ионосфере под действием маг­ нитного поля Земли (рис. 18.2, в). При этом в пункт приема на по­ верхности Земли приходят обыкновенный и необыкновенный лучи, отразившиеся от разных точек ионосферы.

Все перечисленные случаи замираний относятся к виду так на­ зываемых интерференционных замираний. Как указывалось в § 14.6 излученная линейно-поляризованная волна при распространении в направлении силовых линий магнитного поля Земли оказывается эллиптически поляризованной. Под действием флуктуационных из­ менений электронной концентрации на пути распространения ра­ диоволны в месте приема непрерывно изменяется направление большой оси эллипса поляризации. В случае приема, например, на горизонтальную (или вертикальную) антенну вектор напряженно­ сти поля в месте приема будет непрерывно изменять свое направ­ ление относительно антенны, что приведет к колебаниям сигнала на выходе антенны.

Аналогично быстрым замираниям при дальнем тропосферном распространении УКВ замирания на коротких волнах подчиняются закону распределения Релея, интегральная кривая которого приве­ дена на рис. 15.24 (кривая 1). Следует отличать собственно зами­ рания от медленных случайных изменений уровня поля, которые подчиняются логарифмически нормальному закону распределения.

Для борьбы с замираниями в приемных устройствах применяют автоматическую регулировку усиления. Кроме того, мерой борьбы с интерференционными замираниями является прием на разнесен­ ные антенны. В этом случае используют свойство статистической независимости сигнала при приеме коротких волн на антенны, уда­ ленные друг от друга на расстояние 10 Я и больше. Борьба с поля­ ризационными замираниями осуществляется путем одновременно­ го приема на вертикальную и горизонтальную антенны и последую­ щего сложения сигналов.

500

З о н о й м о л ч а н и я на коротких волнах называют кольцевую область вокруг передающей антенны, где отсутствует прием сигна­ лов. Появление зоны молчания объясняется, с одной стороны, тем, что поверхностные короткие волны сильно поглощаются почвой, и на расстоянии ,в несколько десятков километров от передающей ан­ тенны напряженность поля оказывается недостаточной для приема сигналов (рис. 18.3).

С другой стороны, как указывалось в § 14.3, условия отраже­ ния коротких волн от ионосферы определяются не только электрон­ ной концентрацией и высотой ионизированной области, но также углом возвышения ß (см. рис. 14.7). При увеличении угла ß отра­ жение радиоволн происходит от все более высоких областей ионо­ сферы, и отраженный луч попадает все ближе и ближе к передат­ чику. Однако по мере увеличения высоты точки отражения и при­ ближения ее к максимуму электронной концентрации увеличивает­ ся также радиус кривизны луча, который определяется выражением

сти, т. е. при ß> ß m ax луч как бы скользит вдоль максимума элек­ тронной концентрации и волна распространяется на большие рас­ стояния (кривая I на рис. 18.3). Так продолжается до некоторого

угла ßmax, при котором частота радиоволны становится равной максимальной частоте, определяемой по формуле (14.23). При этом луч выходит за пределы ионосферы, и прием сигналов за счет про­ странственной волны оказывается невозможным. Очевидно, угол

Йіах определяет минимальное расстояние от передатчика, которое соответствует внешнему радиусу зоны молчания.

Для уменьшения размеров зоны молчания следует уменьшать рабочую частоту. При этом увеличивается зона поверхностной вол-

501

иы (увеличивается внутренний радиус зоны молчания) и прибли­ жается к передатчику зона пространственной волны (уменьшается внешний радиус зоны молчания) (см. рис. 18.3).

один или несколько раз обогнуть земной шар. В результате в пункт приема-наряду с основным сигналом приходят сигналы с запазды­ ванием по времени примерно на 0,1 сек, т. е. возникает своеобраз­ ное эхо. Различают прямое и обратное кругосветное эхо. При пря­ мом эхо сигналы попадают в точку приема после огибания земного шара в прямом направлении (1), а при обратном эхо — после оги­ бания в обратном направлении (2), рис. 18.4.

Помимо кругосветного эхо, при распростране­ нии радиоволн может возникнуть так называе­ мое ближнее эхо. Оно наблюдается при передаче достаточно коротких импульсов порядка несколь­ ких миллисекунд в тех случаях, когда в место приема приходят два или больше луча, претер­ певших разное число отражений от ионосферы

(см. рис. 18.2, а).

В практике распространения коротких волн Рис. 18.4 были зарегистрированы отдельные случаи так на­

зываемых мировых эхо — сигналов с временем запаздывания от 3 до 50 сек, причины возникновения которых пока не установлены.

Эхо на коротких волнах нежелательно, так как оно искажает форму передаваемых сигналов и нарушает работу почти всех ви­ дов радиосвязи. При телеграфной работе, например, эхо является источником возникновения ложных посылок, а при передаче сигна­ лов быстродействующего телеграфирования оно нарушает работу линии связи. При передаче телефонного сообщения эхо восприни­ мается как дополнительная реверберация или как акустическое эхо, что искажает качество передаваемого сообщения.

Основным средством борьбы с кругосветным эхо является пе­ реход на другую (обычно более низкую) рабочую частоту с таким расчетом, чтобы на каком-нибудь участке пути эхо-сигнала стало значительным поглощение радиоволн в ионосфере. Тем самым удается существенно понизить уровень эхо-сигнала в месте приема или ликвидировать его полностью. Для борьбы с ближним эхо ре­ комендуется применять рабочие частоты, близкие к максимальным, с тем, чтобы не выполнялось условие отражения радиоволн для бо­ лее крутых лучей. Другой мерой борьбы с ближним эхо является применение направленных в вертикальной плоскости передающих и приемных антенн с прижатыми к Земле диаграммами направлен­ ности.

502

концентрации от состояния солнечной активности. Как указывалось в § 13.7, состояние ионосферы претерпевает суточные, сезонные и одиннадцатилетние изменения и зависит от широты и долготы ме­ стности. В ионосфере время от времени происходят также нерегу­ лярные изменения: ионосферные возмущения, внезапные поглоще­ ния и образование спорадического слоя Е с, которые нарушают обычную структуру ионосферы. Все эти изменения оказывают зна­ чительное влияние на условия распространения коротких волн, и их необходимо учитывать при выборе рабочих частот.

§ 18.2. РАБОЧИЕ ЧАСТОТЫ И ИХ ВЫБОР

рой еще возможно отражение радиоволн от ионосферы при задан­ ной длине линии радиосвязи и данном состоянии ионосферы; 2) ра­ бочая частота должна быть больше н а и м е н ь ш е й п р и м е н и ­ мо й ч а с т о т ы, на которой по условиям поглощения еще возмож­ на устойчивая связь при заданном расстоянии, определенных тех­ нических средствах связи, данном состоянии ионосферы и уровне помех в месте приема.

Для выполнения первого условия, ограничивающего диапазон возможных частот сверху, необходимо, чтобы рабочая частота не превышала максимальной частоты, которую находят по формуле

(14.23)

Из этой формулы следует, что максимальная частота опреде­ ляется максимальной электронной концентрацией ионосферы М,тах в точке отражения радиоволн, высотой h отражающей области и углом возвышения ß. Если на коротковолновой линии связи имеет­ ся не одна, а несколько точек отражения, то для выполнения пер­ вого условия необходимо, чтобы рабочая частота была меньше наи­ меньшей из максимальных частот. Обычно ее выбирают на 15-f- -г-20% меньше максимальной частоты. Предположим, например, что на какой-то линии связи имеются три точки отражения; макси­

необходимо рабочую частоту взять меньше 24 Мгц.

Второе условие ограничивает диапазон возможных рабочих час­ тот снизу. Это происходит вследствие того, что на коротких волнах обычно ы2^>ѵ2;,фф, поэтому поглощение коротких радиоволн в ионо­ сфере увеличивается на более низких частотах (см. § 13.6). Дейст­

503

вительно, при распространении коротких волн в ионосфере, кото­ рая является для них полуправодящей средой, напряженность элек­ трического поля убывает по экспоненциальному закону

Е = Е 0е~а1.

Здесь I — расстояние, пройденное волной в ионосфере; а — коэф­

фициент затухания радиоволн.

Чтобы найти выражение для коэффициента затухания а, мож­ но воспользоваться формулой (7.196), подставив в нее вместо еа и ра значения е„.а и ри.а для ионизированного газа:

В диапазоне коротких волн токи смещения значительно превос­ ходят токи проводимости, т. е. —“ 1Еип.а— 1- Поэтому можно вос-

пользоваться формулой (16.3):

а ^ 60я — .

Ѵ 'я

I

Для коротких волн величина еи мало отличается от единицы,

поэтому можно считать, что У еп~ 1 . Подставляя в приведенную формулу значение у„ из выражения (13.24а) (так как на коротких волнах обычно со2^>ѵ2Эфф), находим

Формула (18.2) показывает, что поглощение коротких радио­ волн обратно пропорционально квадрату частоты и резко увеличи­ вается при уменьшении частоты. Не следует забывать, что этот вы­ вод справедлив при условии со2^>ѵ2Эфф, которое обычно выполняет­ ся на коротких волнах. Из формулы (18.2) видно также, что коэф­ фициент поглощения прямо пропорционален произведению элек­ тронной концентрации на число столкновений электронов с ней­ тральными молекулами. Как следует из табл. 13.5, примерные зна­ чения максимальной электронной концентрации в полуденные часы

504

ння коротких .волн в областях Е и D значительно превышает коэф­ фициент поглощения в области Е2. Иными словами, поглощение коротких волн происходит в основном в областях Е и D ионосферы.

Как указывалось в § 13.7, электронная концентрация ионосферы существенно изменяется в зависимости от времени суток. В соот­ ветствии с этим непрерывно изменяются границы максимально при­ менимых частот и наименьших применимых частот, что приводит к необходимости изменения рабочих частот в течение суток. В связи с этим короткие волны принято условно разделять на два диапазо­

используют обычно для связи в часы полуосвещенности.

Выбор оптимальных рабочих частот (ОРЧ) производится на ос­ новании данных суточного хода максимально применимых частот

нованы на использовании данных ионосферных станций о критиче­ ских частотах и высотах областей ионосферы. Ниже приводятся основные положения методики расчета МПЧ по А. Н. Казанцеву [76].

На основании формулы (14.20) максимальную частоту находят

Таким образом, зная закон распределения электронной концен­ трации по высоте, по формулам (18.4) и (18.5) можно определить высоту h нижней границы области F 2, критическую частоту /кр, максимально применимую частоту /Фоmax и действующую высоту ио­ носферы /гд.

Практически нижняя граница h области ионосферы определяет­ ся по данным ионосферных измерений, а распределение электрон­ ной концентрации Ыэ по высоте аппроксимируется параболическим законом [см. § 14.4]. Значения /кр определяются по данным ионо­ сферных станций, которые обычно представляют в виде ежемесяч­ ных карт ионизации. Карты представляют собой географические карты мира, построенные в проекции Меркатора, на которых нане­ сены линии равных критических частот.

Методика расчета М ПЧ следующая. Зная географические коор­ динаты пунктов приема и передачи, определяют расстояние между корреспондентами. Учитывая, что максимальное расстояние одного скачка радиоволн составляет 4000 км, определяют координаты точек отражения и для каждой из них по карте ионизации находят зна­ чение /Кр, а по формуле (18.4) — значения /<р0 тах. Из всех получен­

ных значений в качестве МПЧ выбирают наименьшее. Значе­ ния ОРЧ выбирают на 15ч- 4-20% ниже с целью обезопа­ сить линию радиосвязи от воз­ можных срывов из-за случай­ ных изменений электронной концентрации. Вычисляя М ПЧ и ОРЧ для каждого часа сѵток, строят суточный график изме­ нения ОРЧ . В качестве приме­ ра на рис. 18.6 приведен суточ­ ный график ОРЧ на январь

1964 г. трассы Москва — Сидней.

Для упрощения расчетов, помимо ежемесячных карт критиче­ ских частот (МПЧ — 0), строят также ежемесячные карты макси­

трассы любой протяженности, не прибегая к расчету по формулам (18.4)-у (18.6). При определении М ПЧ для конкретных трасс прак­ тически пользуются радиопрогнозами М ПЧ, которые вырабатыва­ ются на основе данных годового и месячного прогнозов активности

506