12.3.2. Ефект розсіювання у тропосфері

Отримані у пункті 11.3.2 дифракційні формули свідчать, що довжина шляху дифракційного поширення радіохвилі надвисоких частот інтенсивно спадає із зростанням частоти, тобто дифракційна теорія не підтверджується. Порівняно високий рівень сигналу надвисоких частот на відстанях більших за 600 км пояснюють поширенням радіохвиль внаслідок наявності неоднорідностей тропосфери.

З’ясуємо механізм дальнього тропосферного поширення ультракоротких хвиль, який обумовлено процесами розсіювання у тропосфері. На рис. 12.11 схематично показано тропосферну лінію зв’язку.

Рисунок 12.11. До пояснення механізму дальнього поширення ультракоротких хвиль внаслідок розсіювання у тропосфері

У точці А на висоті h₁ над поверхнею Землі розташовано передавальну антену з коефіцієнтом підсилення , а в точціВ на висоті h₂ – приймальну антену з коефіцієнтом підсилення – D₂. Протяжність лінії зв’язку дорівнює r. Промені з точки A та точки В є дотичними до поверхні Землі. Всі точки розсіяння розміщено над дотичними площинами AS та ВS одночасно помітні з пунктів розташування антен. Сукупність цих точок у межах тропосфери формує, як зазвичай називають, загальний об’єм розсіювання. Розсіювальний об’єм визначають як простір, обмежений діаграмами спрямованості антен –передавача та –приймача. Всі неоднорідності тропосфери, які розташовано в межах загального об’єму та опромінені передавальною антеною, є джерелами вторинного випромінення, яке впливає на приймальну антену.

Мінімальну висоту розташування нижньої межі розсіювального об'єму визначають як:

. (12.18)

За умов нормальної тропосферної рефракції для трас довжиною = 200...600 км –h_min=0,6…5 км.

Лінійні розміри об'єму розсіювання пропорційні ширині діаграми спрямованості , та його розраховують за формулою:

, (12.19)

де – кут розсіювання.

Позначимо через питому ефективну площу розсіювання одиниці об’єму тропосфери з центром у точціС. Ефективна площа розсіювання тіла – це величина, яка, за множення на густину потоку потужності первинного випромінювання та ділення на 4, визначає густину потоку потужності розсіяного випромінювання в точці приймання. Інтенсивність розсіювання залежить від кута розсіювання, тому питома ефективна площа розсіювання –.

Потужність вторинного випромінювання елемента за визначенням:

. (12.20)

Густина потоку енергії хвилі в точці в поширення приймальної антени:

, Вт/м², (12.21)

а елемент потужності приймальної антени:

, Вт (12.22)

де – ефективна площа приймальної антени, пов’язана з коефіцієнтомDспіввідношенням,.

Підставимо в формулу (12.22) (12.20) (12.21) та отримаємо:

, (12.23)

та

. (12.24а)

Формула (12.24а) показує, що для розрахунку потужності, яку створює хвиля у приймальній антені, необхідно знати конфігурацію загального об’єму тропосфери, що приймає участь у створенні розсіяного випромінення, та формулу для питомої ефективної площі розсіювання.

12.3.3. Багатопроменевість та завмирання радіохвиль

Механізм дальнього поширення радіохвиль відрізняється від поширення земних радіохвиль:

– у місці приймання напруженість створюється інтерференцією множини елементарних променів, відбитих та розсіяних від «глобул» в атмосфері;

– положення розсіювальних центрів безперервно і випадково змінюється. В даному випадку краще вжити термін флуктуаційна багатопроменевість.

Розрізняють дискретну та неперервну ( дифузну ) багатопроменевість. Під час дискретної багатопроменевості в пункт приймання потрапляє обмежене число променів, наприклад, два (як це показано на рис. 12.12а). Зазвичай, довжини шляхів, які проходять окремі промені, різні. За дифузної багатопроменевості в пункт приймання потрапляє нескінченна множина елементарних променів (рис. 12.12б).

Під час дифузної багатопроменевості поле у місці приймання є результат інтерференції нескінченно великої кількості променів. Аналіз ситуації інтерференції п променів з будь-якими амплітудами і випадковими фазами, якщо , показує, що густину розподілуЕ описує закон Релея:

, м/B (12.25)

де Е – середньоквадратичне значення [В/м];

– усереднене за відносно довгий термін (5…10) хв значення квадрату середньоквадратичного значення.

Рисунок 12.12. Види багатопроменевості: а – дискретна; б – дифузна

Таким чином характерною особливістю дальнього поширення ультракоротких хвиль внаслідок розсіювання у тропосфері є те, що сигнали, які приймають, зазнають завмирань, тобто неперервних і хаотичних коливань напруженості поля в місці приймання.

Завмиранняминазивають неперервні швидкі коливання рівня прийнятого сигналу, з тривалістю в декілька хвилин, секунд та долей секунди, які призводять до спотворення сигналу.

Наявність завмирань потребує спеціальних визначень для характеристики середнього рівня прийнятого сигналу чи ступеня відхилення миттєвих значень рівня від вказаного середнього значення. Найбільш застосовним є визначення середнього рівня в медіанних значеннях напруженості поля ( рис. 12.13 ). На рис. 12.13 медіанний рівень позначено через Е_мед. Періоди перевищення медіанного рівня заштриховано. Довжина заштрихованих відрізків дорівнює довжині не заштрихованих за деякий інтервал. Для орієнтовної характеристики завмирань необхідно додатково вказати ще значення двох – трьох рівнів, які перевищено впродовж, наприклад 90%, 99%, 99.9%, часу приймання сигналу. Один з таких рівнів (за 90%), позначеноЕ_0.9.

Медіанний рівень позначено символом Е_0.5. Важливими параметрами завмирань є середня частота та глибина завмирань. Частоту завмирань визначають за числом перетину медіанного рівня. Зазвичай під глибиною завмирань вважають різницю (Е_0.1–Е_0.9 ).

Рисунок 12.13. До визначення медіанного рівня прийнятого сигналу

Ефект дальнього тропосферного поширення відкрито В.А. Введенським та А.Г. Аренбергом 1933 року, а 1950 р. – створена перша станція тропосферного радіозв’язку. Системи дальнього тропосферного зв’язку та радіолокаційні станції характеризують висока інформативність, і тому вони повинні забезпечувати високу інформаційну надійність, що зазнає впливу швидких та повільних завмирань.

Причини завмирань, за якими класифікують їх типи:

1) рефракційні завмирання, що виникають внаслідок екранувального впливу перешкод, обумовлено зменшенням просвіту за надрефракції у тропосфері та потраплянням приймальної антени в область глибокої тіні; їх відносять доповільних завмирань, які мають слабку частотну залежність та виникають практично одночасно у всій системі зв’язку в одному діапазоні;

2) рефракційні завмирання інтерференційного типу, обумовлено збільшенням просвіту на трасі за збільшення рівня рефракції та за потрапляння антени в інтерференційний мінімум; виникають в результаті взаємодії прямої хвилі та хвиль, відбитих від земної поверхні; їх відносять до швидких завмирань з глибиною 25 – 30 дБ та тривалістю до 10 с;

3) інтерференційні завмираннявиникають внаслідок впливу шаруватих неоднорідностей тропосфери, створено інтерференцією прямої хвилі та хвиль відбитих від шаруватих неоднорідностей тропосфери та потраплянням приймальної антени в інтерференційні мінімуми; їх відносять до швидких завмирань з глибиною 25 – 30 дБ та тривалістю від долі секунди до секунди;

4) завмирання внаслідок екранувального впливу неоднорідностей тропосфери, обумовлено послабленням радіохвиль тропосферою, коли більша доля енергії послаблюється, а невелика доходить до точки приймання; їх відносять або до швидких, або до повільних завмирань, які практично корельовано в межах одного частотного діапазону та виникають одночасно у всій системі зв’язку;

5) завмирання внаслідок послаблення гідрометеорамита обумовлено розсіюванням радіохвиль частинками гідрометеорів (дощ, сніг, град, туман, тощо) та нерезонансним поглинанням в цих частинках;

6) завмирання внаслідок поглинання в газах, що входять до складу тропосфери та обумовлено взаємозв’язком поля РХ та молекул газу, що мають електричні та магнітні властивості. Вони мають селективний характер та досягають максимуму за співпадання частот електромагнітного поля із власними частотами коливань молекул.