книги из ГПНТБ / Листов, Константин Михайлович. Радио и радиолокационная техника и их применение

Рис. 31. Примеры развертывания радиостанций:

а, г, 0, е, ж — с лучевыми антеннами бегущей волны; б, в, з — со штыревыми антеннами

радиостанции должно быть подобрано экспериментально по наилучшей слышимости корреспондента.

При наличии лесного массива и открытого места в сторону корреспондента радиостанцию не следует располагать на лесной опушке близко к кромке леса, а лучше отнести на от­ крытое место, или углубиться в лес.

Не рекомендуется развертывать радиостанцию вблизи крупных металлических сооружений, линий электропередач, сети проводных линий, пересекающих трассу связи.

Антенну необходимо удалять от местных предметов не ме­ нее чем на 2—3 длины волны.

На интенсивность излучения и распространение волн боль­ шое влияние оказывает почва, на которой установлена ан­ тенна. Например, влажная почва более благоприятна, чем сухая.

При расположении переносных радиостанций на влажной почве целесообразнее использовать вертикальную антенну, а в условиях сухой почвы — горизонтальную, например антенну бегущей волны или ее разновидности (лямбдаобразную, полуромбическую).

При работе в лесу хорошие результаты дает антенна в виде горизонтального симметричного полуволнового вибратора, рас­ положенного на высоте четверти длины волны. При этом на передающей и приемной станциях должны применяться одно­ типные антенны, ориентированные взаимно перпендикулярно осям вибраторов, так как горизонтальный вибратор имеет максимум излучения в направлении, перпендикулярном оси вибратора.

На дальность и качество ультракоротковолновой связи на равнинной и среднепересеченной местности сильно влияет ха­ рактер подстилающей поверхности, т. е. поверхности, над ко­ торой распространяются радиоволны. Опыт показывает, что радиостанция мощностью 1,5 втпри работе на типовую штыре­

с пресной водой. Эта дальность увеличивается в 1,5 раза на трассе, проходящей через лес, в 2 раза над почвой, покрытой толстым слоем снега, в 2,5—3 раза на среднепересеченной местности, в 3,5—4 раза на трассе, проходящей через пресно­ водные пространства, и в 6—7 раз на морских трассах. При использовании направленных антенн указанные дальности увеличиваются примерно в 1,5—2 раза.

Следует помнить, что на дальность связи решающее влия­ ние оказывают концевые участки трассы, т. е. места располо­ жения радиостанции. Поэтому радиостанции целесообразно развертывать вблизи водоемов, участков заболоченной или влажной почвы. При работе из оврагов рекомендуется радио­

70

станцию располагать не на дне оврага, а на удаленном от кор­ респондента скате,-

Исследованиями доказано, что гористая местность не вы­ зывает больших трудностей в ультракоротковолновой радио­ связи, если правильно учитывать особенности такой местности. Более того, используя особенности распространения ультра­ коротких волн через горные возвышенности и хребты клино­ видной формы, можно получить устойчивую связь между ра­ диостанциями, расположенными в области глубокой геометри­ ческой тени на расстояниях, превышающих дальности дейст­ вия этих станций на ровной или среднепересеченной мест-

Рис. 32. Расположение радиостанций на трассе с клиновидным пре^ пятствием:

а — правильное; б — неправильное

ности. Для этого радиостанции надо располагать не у под­ ножья горы, а на таком расстоянии от нее, чтобы корреспон­ дирующие между собой станции «видели» одну и ту же высо­ кую вершину, через которую пролегает трасса связи (рис. 32). Организованная таким образом радиотрасса измеряется де­ сятками километров.

При расположении станций на господствующих высотах дальность связи может доходить до 100 км. Однако очень большие просветы (свыше 150—200 м) между линией прямой видимости и поверхностью земли могут привести к ухудшению связи вследствие влияния интерференции прямого и отражен­ ного лучей в точке приема.

Атмосферная рефракция. Как уже отмечалось, тропосфера представляет собой неоднородную среду. При изменениях температуры, влажности и давления в ней происходят непре­ рывные движения масс воздуха и влаги. Плотно-сть этих масс различна как по высоте, так и по горизонту. Следовательно, на сколько-нибудь больших расстояниях радиолуч проходит среды различной оптической плотности, характеризующиеся различными коэффициентами преломления. В результате ра­ диолуч отклоняется от прямолинейного направления.

71

Плавное отклонение радиолуча от прямолинейного рас­ пространения в атмосфере называется атмосферной радиоре­ фракцией или просто рефракцией.

Различают положительную и отрицательную рефракции. Первая .из них всегда увеличивает дальность распростране­ ния радиоволн по сравнению с дальностью геометрической видимости, а вторая — уменьшает.

При положительной рефракции радиолуч изгибается вы­ пуклостью вверх (рис. 33), что собственно и вызывает увели­ чение дальности распространения волн.

Распространение радиоволны при отрицательной

Рис. 33. Распространение радиоволн при различных видах атмо­ сферной рефракции:

ность и нижний слой воздуха быстро остывают, а верхний его

уменьшается, вследствие чего радиолуч искривляется выпук­ лостью вверх. Аналогичное явление возникает над водной по­ верхностью, где влажность воздуха непосредственно у воды высокая, а с подъемом быстро уменьшается и вызывает рез­ кое убывание коэффициента преломления.

На прибрежных трассах обычно наблюдается обратное явление. Там время от времени с моря на сушу поступают холодные и увлажненные массы воздуха, тогда как непо­ средственно у земной поверхности воздух остается теплым и

72

более сухим. При этих условиях температура с высотой бы­ стро убывает, а влажность увеличивается. Коэффициент пре­ ломления возрастает, в результате чего радиолуч искрив­ ляется выпуклостью вниз. Возникает отрицательная атмо­ сферная рефракция, приводящая к удалению радиолуча от земной поверхности, а следовательно, и к уменьшению даль­ ности распространения радиоволн.

Существуют три вида положительной рефракции: нор­ мальная атмосферная рефракция, критическая атмосферная рефракция и сверхрефракция.

Н о р м а л ь н а я а т м о с ф е р н а я р е ф р а к ц и я — наиболее часто встречающийся вид рефракции. Она обра­ зуется при таких атмосферных условиях, когда коэффициент

где h\ и /г2 — высоты антенн в м.

К р и т и ч е с к а я а т м о с ф е р н а я р е ф р а к ц и я на­ блюдается редко. Она возникает при таких атмосферных условиях, когда коэффициент преломления убывает по высоте

когда коэффициент преломления воздуха уменьшается с ро­ стом высоты еще быстрее, чем при критической рефракции.

тельного отражения от рефракционной области атмосферы и земной поверхности. Обычно такие условия распространения наиболее благоприятны для дециметровых и сантиметровых волн.

Дальность распространения в условиях сверхрефракции может достигать сотен, а иногда и тысяч (над морем) кило­ метров. Наиболее часто сверхрефракция наблюдается в ши­ ротах тропиков и субтропиков.

Условия положительной атмосферной рефракции чаше всего возникают в теплое время года при ясной погоде ве­ чером,-

73

Р а с с е я н и е у л ь т р а к о р о т к и х в о л н

ствами, создают условия рассеянного, или диффузного, отра­

в верхних слоях тропосферы среду зернистого строения, «зер­ на» которой соизмеримы с длиной волны. В результате облу­

чения волной этих зерен или неоднородностей в них индук­ тируются высокочастотные токи, а следовательно, и поле той же частоты, что и поле падающей волны. Таким образом, возникает вторичная волна, которую излучает в простран­ ство данная элементарная неоднородность, т. е. первичная падающая волна переизлучается неоднородностью. В целом же рассеивающая область (рис. 34), содержащая большое количество неоднородностей, рассеивает энергию падающих волн во всех направлениях.

За счет тропосферного рассеяния ультракороткие волны распространяются далеко за пределы прямой видимости.

Рассеяние радиоволн в тропосфере происходит подобно тому, как рассеивается свет облаками дыма или каплями воды, размеры которых соизмеримые длиной волны света. Рас­ сеянная тропосферой энергия радиоволны в какой-то точке пространства составляет менее миллионной доли энергии па-

74

■дающего луча. Вот почему рассеянный сигнал можно исполь­

сферы происходит во все стороны, однако рассеянная энергия обладает наибольшей мощностью в направлении хода радио­ луча. Поэтому для получения наибольшего сигнала в точке приема необходимо, чтобы направление оси главного лепестка диаграммы направленности приемной антенны пересекало на­ правление луча передающей антенны под возможно меньшим углом. При этом передающие и приемные антенны радио­ станций тропосферной связи надо развертывать так, чтобы местные предметы (деревья, высокие строения, возвышенно­ сти местности) не препятствовали распространению радио­ волн под небольшими углами к горизонту.

Большие изменения силы рассеянного сигнала в точке приема объясняются тем, чтЬ сигнал состоит из большого числа радиолучей, каждый из которых приходит от отдель­ ного источника рассеяния, т. е. от неоднородностей тропо­ сферы. Поскольку источники рассеяния находятся в состоя­ нии непрерывного движения, или, как говорят, турбулентно­ сти, величина мощности результирующего сигнала изменяется в очень больших пределах, однако сигнал никогда не исчезает полностью. Рассеянный сигнал имеет большую величину мощ­ ности летом (примерно в 10—15 раз за счет качества неодно­ родностей), чем зимой.

Для тропосферной связи может использоваться диапазон частот от 30—40 до 30 000 Мгц, но энергетически более выиг­ рышными являются частоты от 450 до 1000 Мгц. Кроме того, с увеличением рабочей частоты расширяется полоса про­ пускания, чем обеспечивается большая емкость радиолиний. Однако с повышением частоты увеличиваются потери в тропо­ сфере. Полоса пропускания радиолинии, работающей в деци­ метровом диапазоне, получается такой, что в ней можно раз­ местить около100 телефонных каналов связи или один теле­ визионный канал.

В настоящее время за рубежом для радиолиний тропо­ сферной связи емкостью от 6 до 150 телефонных каналов на дальностях 160—400 км используются передатчики мощ­ ностью от 1 до 50 кет, а антенны — диаметром от 3 до 18 м.

В имеющейся в настоящее время аппаратуре тропосферной связи в большинстве случаев применяется частотная модуля­ ция. Однако исследования показывают, что более выгодной является однополосная модуляция. Для повышения устойчи­ вости тропосферной связи применяют пространственно и частотно разнесенный прием, т. е. прием одной и той же ин­ формации одновременно на несколько разнесенных по терри­

75

тории антенн, подключенных к одному приемнику через устройство сложения, или на нескольких частотах.

Применение радиолиний тропосферной связи наиболее целесообразно и необходимо в высоких широтах, где коротко­ волновая связь • из-за сильных возмущений в ионосфере и магнитных бурь работает крайне неустойчиво. Кроме того, линии , тропосферной связи могут находить широкое при­ менение в условиях труднодоступной, горной, пустынной, мало обжитой местности, где применение обычной радио­ релейной связи затруднительно.

В США и Канаде радиолинии тропосферной связи широко используются для обеспечения связи между радиолокацион­ ными станциями. Одна из таких радиолиний развернута на трассе Флорида—Куба на расстоянии 300 км. По ней одно­ временно передается 36 телефонных каналов. Мощность пере­ датчиков 10 кет. Антенна параболическая квадратная с дли­ ной стороны 18,3 м используется как для передачи, так и для приема. Диапазон частот 692—880 Мгц.

Рассеянное распространение радиоволн в ионосфере. Ниж­ ние слои ионосферы на высоте 80—90 км имеют неоднород­ ное строение. Они представляют собой ионизированные об­ лака различной плотности. Размеры неоднородностей состав­ ляют 100—200 м, т. е. являются достаточными, чтобы рас­ сеивать метровые волны. Рассеянное распространение радио­ волн в ионосфере происходит аналогично рассеянному рас­ пространению в тропосфере. Падающая на ионизированный слой волна частично им поглощается, а частично рассеивается им как источником вторичного излучения.

при использовании этого явления для радиосвязи необ­ ходимо применять передатчики очень большой мощности, остронаправленные антенны и приемники повышенной чув­ ствительности. Ионосферная связь по сравнению с тропосфер­ ной является узкополосной. Полоса эффективно передаваемых частот обычно не превышает 10 кгц. Поэтому радиолинии ионосферной связи являются малоканальными. Они обычно рассчитываются на 1—2 телефонных канала или 6—8 теле­ графных каналов связи. Для расширения полосы передавае­ мых частот необходимо применять передающие устройства огромных мощностей — несколько сот киловатт— и антенны диаметром в несколько десятков метров.

На существующих линиях магистральной связи, исполь­ зующей рассеянное распространение УКВ, обычно применяют­

76

ся радиолинии как тропосферной, так и ионосферной связи. Так, например, линия связи Вашингтон (США) — Оксфорд (Англия), проходящая через Гуз-бей (Лабрадор, Канада), Зондерштром (Гренландия) и Рейкьявик (Исландия), имеет участки с применением тропосферной и ионосферной связи.

Рис. 35. Схема радиосвязи с использованием рассеяния от ионизирован­ ных следов метеоров

Отражение радиоволн от ионизированных метеорных сле­ дов. Метод дальней связи, основанный на принципе отра­ жения метровых волн от ионизированных следов метеоров, является наиболее интересным и весьма перспективным. Этот метод может обеспечить телефонную, телеграфную и фото­ телеграфную радиосвязь на расстояния от 1000 до 1600 и даже до 2300 км при относительно небольших мощностях передающих устройств и несложных антеннах. При этом схема радиосвязи выглядит следующим образом (рис. 35). Из космического пространства в земную атмосферу непрерыв­ но влетает огромное количество метеоров. Пролетая на боль­ ших скоростях, они нагреваются и сгорают, оставляя на своем пути след ионизированных частиц и электронов длиной до 100 км. Таких ионизированных следов образуется так много, что возникают ионизированные облака, которые вследствие рассеяния и рекомбинации частиц быстро исчезают. Ионизи­ рованные следы метеоров, возникающие на высоте 90—ПО км от поверхности земли, сохраняют свои отражательные свой­ ства в течение от сотых долей секунды до нескольких секунд. Количество метеорных следов, которые могут быть использо­

77

ваны для УКВ связи, изменяется в зависимости от времени суток и года. Примерно в 6 ч утра наблюдается максималь­ ное количество таких следов. В сентябре наблюдается наи­ большее количество метеорных следов, а в марте — наи­ меньшее.

Метеорная связь имеет следующие преимущества перед ионосферной связью. Она обеспечивает более высокую скрыт­ ность передачи сигналов связи, поскольку отраженные от ионизированных следов метеоров волны можно принимать только в одном районе и на меньшей площади, чем при ионо­ сферной связи. Это затрудняет возможности радиоперехвата и создание преднамеренных помех радиоприему.

Метеорная связь при небольших мощностях излучения по­ зволяет передавать полосу частот до 20 кгц, а при мощностях, сравнимых с мощностями ионосферных радиолиний,— до 100— 200 кгц, что дает возможность иметь значительно большее число телефонных каналов и передач, требующих широкой полосы, например при быстродействующей радиосвязи.

Она не подвержена воздействию атмосферных и космиче­ ских помех (северные сияния, магнитные бури и т. д.), что позволяет применять ее в любом районе земного шара.

Антенны станций метеорной связи требуют такого же на­ правления, как и антенны станций тропосферной и ионосфер­ ной связи, т. е. под малым углом к линии горизонта.

Особенность метеорной связи заключается в том, что она осуществляется не непрерывно, а отдельными, быстрыми «очередями» ( сеансами), т. е. только в моменты времени, когда в объеме пересечения диаграмм направленности антенн корреспондирующих станций появляется ионизированный след.

Установлено, что в объеме пересечения диаграмм направ­ ленности антенн за каждую минуту появляется 2—3 ионизи­

метеорной связи не превышает 3 сек в минуту. Это составляет около 5% всего времени работы аппаратуры. Поэтому при метеорной связи необходимо обмен вести методом быстродей­ ствия со скоростью в несколько тысяч слов в минуту.

Принцип работы радиолинии метеорной связи заключается в следующем (рис. 36).

Передатчики обеих станций непрерывно излучают колеба­ ния несущих частот в диапазоне 30—50 Мгц. Частоты пере­ дачи и приема разнесены на 1 Мгц. Приемники настроены на несущие частоты передатчиков и принимают колебания этих частот всякий раз, как только их сила будет возрастать при появлении ионизированного следа, образованного пролетаю­ щим метеором, в объеме пересечения диаграмм направленности антенн корреспондирующих между собой станций. Необходи­ мый уровень сигнала несущей частоты определяется управля­

78