ЭД / Новая папка (2) / DOC / ЛК 15_ТЭД_и_РРВ_ч_2

ЭД и РРВ (ЛК 15)

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНОВ

Ультракороткие волны

• Особенности распространения ультракоротких радиоволн;

• классификация распространения ультракоротких радиоволн;

• особенности распространения УКВ в космическом пространстве;

• влияние на траекторию луча атмосферной рефракции в УКВ диапазоне;

• эффект Доплера в УКВ диапазоне;

• задержка распространения сигнала УКВ в космическом пространстве.

Особенности распространения ультракоротких радиоволн

Ультракороткими называются радиоволны короче 10 м (частота выше 30 МГц). Со стороны более низких частот диапазон УКВ примыкает к коротким волнам, а со стороны высоких частот граничит с длинными инфракрасными лучами. Граница УКВ определена тем, что на этих волнах, как правило, не может быть удовлетворено условие отражения радиоволн от ионосферы.

Диапазон УКВ можно разбить на четыре поддиапазона: метровый — от 10 до 1 м (30—300 МГц), дециметровый — от 1 до 10 см (300—3000 МГц), сантиметровый — от 10 до 1 см (3000—30 000 МГц) и миллиметровый —короче 1 см (выше 30000 МГц). Диапазон метровых волн используется в телевидении и частотно-модулированном вещании, а в последнее время — для осуществления радиосвязи на дальние расстояния. Диапазоны дециметровых и сантиметровых волн используются в телевидении, радиолокации и многоканальной связи, мобильных системах связи.

Особенности распространения ультракоротких радиоволн

Каждый из поддиапазонов имеет свои особенности распространения, но основные положения свойственны всему диапазону УКВ. На УКВ, как правило, применяют направленные антенны, поднятые над поверхностью Земли на значительную высоту в масштабе длины волны. Поверхность Земли нельзя считать ровной, имеет место рассеяние радиоволн при отражении.  Сантиметровые волны испытывают поглощение в тропосфере.

Классификация распространения ультракоротких радиоволн

Распространения УКВ удобно классифицировать следующим образом.

1. Распространение УКВ на расстояния, значительно меньше расстояния прямой видимости:  (до 5 — 6 км), когда можно пренебречь сферичностью Земли и считать ее плоской.

Классификация распространения ультракоротких радиоволн

2. Распространение УКВ на расстояния, не превышающие расстояние прямой видимости:  (до 50 — 60 км) или ненамного превышающие это расстояние (до 80 — 100 км). На этих расстояниях существенное ослабляющее действие оказывает сферичность Земли.

3. Распространение УКВ на те же расстояния (до 5 — 6 км; 50 — 60 км), но в гористой местности или в большом городе, когда на пути волны имеются значительные препятствия.

4. Распространение УКВ (сантиметровых и дециметровых) на большие расстояния — до 200 — 1000 км путем рассеяния на неоднородностях тропосферы.

5. Распространение УКВ (метровых) на расстояния свыше 1000 км путем отражения от ионосферы и рассеяния на ее неоднородностях.   

Особенности распространения УКВ в космическом пространстве

Поглощение в тропосфере

Поглощение сигнала атмосферой находится в зависимости от его частоты. Максимумы поглощения приходятся на 22,3 ГГц (резонанс водяных паров) и 60 ГГц (резонанс кислорода). В целом, поглощение существенно сказывается на распространении сигналов с частотой выше 10 ГГц.

Ионосферные эффекты

Эффекты в ионосфере обусловлены флуктуациями распределения свободных электронов. К ионосферным эффектам, влияющим на распространение радиоволн, относят: мерцание, поглощение, задержку распространения, дисперсию, изменение частоты, вращение плоскости поляризации. Все эти эффекты ослабляются с увеличением частоты. Для сигналов с частотами, большими 10 ГГц, их влияние невелико.

Особенности распространения УКВ в космическом пространстве

Основные особенности, которые отличают процессы распространения радиоволн в системах космической связи от процессов распрост­ранения в наземных условиях: во-первых, необычное влияние на траекторию луча атмосферной рефракции; во-вторых, явление допплеровского изменения частоты и, в-третьих, гораздо большее, чем в обычных условиях, время задержки сигнала при распрост­ранении.

Рассмотрим каждую из этих особенностей в отдельности.

Влияние на траекторию луча атмосферной рефракции

в УКВ диапазоне

В системах космической связи (как при передаче информации на космические корабли или станции, так и при работе спутников связи) радиоволны проходят сквозь всю толщу атмосферы, притом не только под пологими, но под произвольными углами скольжения, вплоть до 90°.

Казалось бы, что прекрасно разработанную в астрономии тео­рию оптической рефракции можно непосредственно применить к проблемам космической связи. Но это не так, ибо, как известно, влажность воздуха почти не влияет на преломление электромаг­нитных волн оптического диапазона и, наоборот, в диапазоне сан­тиметровых и дециметровых волн содержание влаги сильно влия­ет на преломляющие свойства тропосферы.

Если рассматривать только диапазон сантиметровых волн, то влиянием ионосферы можно пренебречь.

Влияние на траекторию луча атмосферной рефракции

в УКВ диапазоне

В диапазоне дециметровых волн необходимо учитывать рефракцию и в ионизи­рованных слоях атмосферы.

Влияние тропосферной рефракции сво­дится к тому, что волна, излученная космическим объектом М, приходит под углом скольжения α, и ее направление отличается от действительного направления МА. Очевидно, что те же соот­ношения сохраняются при распространению волны от А к М. Зада­ча, таким образом, сводится к определению по заданному удале­нию r и действительному углу β угла α, под которым приходит луч на поверхность Земли. Для определения угла α относительно величин r и β существуют номограммы и таблицы (справочные данные).

Эффект Доплера в УКВ диапазоне

Эффект Доплера описывает сдвиг частоты сигнала в зависимости от относительного движения источника и приемника. Так волна, посланная источником, который удаляется от приемника, будет приниматься им на меньшей частоте по сравнению с волной от неподвижного источника или от источника, приближающегося к приемнику. Если же приемник приближается к неподвижному источнику, то частота принимаемой им волны будет больше по сравнению с неподвижным приемником или приемником, удаляющимся от источника. Это явление обнаружил Христиан Доплер в 1842 году.

Эффект Доплера в УКВ диапазоне

Предположим, что источник (спутник), излучающий импульсы с периодом T, движется с радиальной скоростью  относительно среды по направлению к покоящемуся приемнику П. В момент времени  расстояние между источником и приемником равно . Первый импульс достигнет приемника в момент времени , где  — скорость волны. Второй импульс будет послан к приемнику в момент времени , когда расстояние между источником и приемником равно

.

Таким образом, второй импульс достигнет приемника в момент времени

.

В результате, приемник будет регистрировать импульсы с периодом

Эффект Доплера в УКВ диапазоне

Таким образом, частота сигнала , регистрируемого приемником, равна:

(источник движется к приемнику)

где — частота сигнала, излучаемого источником. Мы видим из этого выражения, что когда источник движется по направлению к приёмнику, частота регистрируемого сигнала увеличивается и наоборот, когда источник движется от приемника, частота регистрируемого сигнала уменьшается в соответствии с выражением:

(источник движется от приемника).

Задержка распространения сигнала УКВ

в космическом пространстве

Проблема задержки распространения сигнала, так или иначе, затрагивает все спутниковые системы связи. Наибольшей задержкой обладают системы, использующие спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите. В этом случае задержка, обусловленная конечностью скорости распространения радиоволн, составляет примерно 250 мс, а с учетом мультиплексирования, коммутации и задержек обработки сигнала общая задержка может составлять до 400-600 мс.

Задержка распространения наиболее нежелательна в приложениях реального времени, например, в телефонной связи. При этом, если время распространения сигнала по спутниковому каналу связи составляет 250 мс, разница во времени между репликами абонентов не может быть меньше 500 мс. Данную особенность следует учитывать при проектировании спутниковых линий радиосвязи.