11. Распространение километровых радиоволн

Километровые волны (кмв) характеризуются  = 1…10 км, f = 30…300кГц. Километровые волны распространяются как поверхностной (земной), так и пространственной (ионосферной) волнами. Земля для них по электрическим свойствам близка к идеальному проводнику.

Применяются они, в основном, для дальней радиотелеграфной связи. Передающие антенны кмв делаются очень больших размеров, ненаправленные, с низким КПД (10-30%). Поскольку антенны кмв не могут быть подняты на высоту, соизмеримую с длиной волны, при расчетах полагают, что антенны находятся непосредственно на поверхности Земли.

Как было показано в предыдущей лекции, при распространении радиоволн в реальных условиях ослабления (или усиления), напряженность поля в точке приема E_M, по сравнению с распространениемв свободном пространстве, принято характеризовать множителем ослабления V.

где P_ - суммарная мощность источника, кВт; D₁ – КНД передающей антенны; r – длина радиоканала, км.

При длинах радиоканала r = 300…400 км множитель ослабления поля свободного пространства для километровых радиоволн был определен М. Шулейкиным^* и уточнен голландским ученым Ван-Дер-Полем.

Согласно метода Шулейкина – Ван-Дер-Поля

Коэффициент апроксимации x определяется, как

где r – длина радиоканала, км;  - длина волны, м;  - удельная проводимость земного покрова, См/м.

При организации радиоканалов протяженностью более 400 км необходимо учитывать дифракцию волны вокруг сферической поверхности Земли. В этом случае для расчетов применяется метод В. Фока^*, согласно которого апроксимирующая величина x определяется, как

где R_З – радиус Земли (R_З6370 км).

Изменение множителя ослабления V графически показано на рисунке 2.14.

При длине радиоканала свыше 2 тыс. км километровые волны распространяются только ионосферной волной. Днем они отражаются от слоя D, а ночью, когда слой D исчезает, от слоя E. Расчеты производятся по имперической формуле Остина.

где  - угол между радиусами Земли, проведенными из точек расположения передающей и приемной антенн (рисунок 2.15); P_ - суммарная мощность источника излучения, кВт; r – длина радиоканала, км;  - длина волны, км.

Недостатком радиосвязи в диапазоне километровых радиоволн является громоздкость антенн и невозможность передачи широкой полосы частот.

12. Распространение гектометровых радиоволн

Гектометровые волны (гмв) характеризуются  = 100…1000 м, f = 300…3000 кГц. Они глубже проникают в поверхность Земли и сильнее поглащаются в ней (таблица 2.3).

Земная гектометровая волна распространяется на расстояние не превышающее 500–700 км. На большие расстояния радиосвязь в этом диапазоне осуществляется только ионосферной волной.

На транспорте гмв диапазон применяется для организации поездной радиосвязи.

Отражение гмв происходит от области E, так как электронная концентрация области D недостаточна для их отражения. Однако, при двойном прохождении через области D ионосферные волны сильно поглащаются, поэтому днем напряженность поля в точке приема, обусловленная ей, мала и связь осуществляется земной волной. С наступлением ночи область D исчезает и связь, в основном, осуществляется ионосферной волной.

Расчет напряженности поля в точке приема земной волны осуществляется по формулам Шулейкина – Ван-Дер-Поля, Фока или Остина.

Напряженность поля ионосферной волны рассчитывается на основании следующей эмпирической формулы

где P_ - суммарная мощность источника излучения, кВт; r – длина радиоканала, км;  - длина волны, км.

Недостаток радиосвязи на гектометровых волнах заключается в наличие зон феддинга (замираний), из-за интерференции волн, отраженных от различных препятствий, таких как: путепроводы, здания и сооружения, мачты опор электропередачи и пр., а также, из-за интерференции волн, испытывающих разное отражение от слоев ионосферы (рисунок 2.16). Поэтому, стараются применять специальные антенны, с использованием земной волны.

Учитывая вышеуказанный недостаток гмв радиосвязь на транспорте в настоящее время переводят в диапазоны УКВ радиоволн.

13. Распространение радиоволн УКВ диапазона

Радиоволны УКВ диапазонов характеризуются  < 10 м, f > 30 МГц, они практически не отражаются от ионосферы и пронизывают ее, поскольку f > f_КР.

где f_КР – критическая частота, при которой еще происходит отражение от слоев ионосферы; N_ОТР – электронная концентрация слоя ионосферы, при которой еще происходит отражение радиоволн.

Лишь в годы высокой солнечной активности, когда резко повышается электронная концентрация в слоях атмосферы, возможно распространение энергии ионосферной волной.

Дифракция земной волны на УКВ слаба, поэтому распространение земной волны происходит в пределах прямой видимости.

На транспорте УКВ диапазоны применяются для организации поездной и станционной радиосвязей, ремонтно-оперативной радиосвязи, радиорелейных линий и спутниковой связи, радиоскоростимеров и пр.

Напряженность поля в точке приема при распространении УКВ радиоволн на расстояние прямой видимости можно определить по квадратичной формуле Б. Введенского (2.39), а при распространении УКВ радиоволн на расстояние больше прямой видимости по дифракционной формуле А. Щукина (2.43).

УКВ радиоволны дециметрового диапазона (10 см <  < 1м, 300 МГц < f < 3000 МГц) и более короткие испытывают тропосферное ослабление из-за присутствия в тропосфере капель воды в виде тумана или дождя. Поглащение энергии радиоволн обусловлено токами поляризации, образующимися в каждой капле и вызывающих тепловые потери, которые увеличиваются с ростом частоты радиосигнала.

Напряженность поля в точке приема с учетом тропосферного поглощения энергии радиоволны

где E_М – напряженность поля в точке приема без учета тропосферного поглащения, мВ/м;  - коеффициент поглощения, 1/м; r – путь радиоволны в поглощающей среде, км.

Причем

где ₁ – километрическое затухание энергии поля радиоволны при плотности осадков P = 1 мм/ч; P – реальная плотность осадков, мм/ч.

В таблице 2.4 показано влияние тнтенсивности дождя на напряженность поля волн дециметрового диапазона УКВ. Зависимость коэффициента поглащения радиоволн в децибелах от длины волны при прохождении радиоканала в области дождя и тумана разной интенсивности показана на рисунке 2.17.

Сантиметровые (1 см <  < 10 см, 3 ГГц < f < 30 ГГц) и более короткие УКВ радиоволны испытывают добавочное поглащение в молекулах водяного пара (Н₂О) и кислорода (О₂), которое иллюстрируется рисунком 2.18. Оно оценивается модулем множителя ослабления V_r, который изменяется с расстоянием по закону

где (r) – километрический коэффициент ослабления, дБ/км; r – длина радиоканала, км.

Это поглащение объясняется наличием постоянных электрических моментов у молекул Н₂О и магнитных – у молекул О₂. Поэтому электромагнитное поле радиоволны обусловливает колебательные процессы в молекулах, причем, когда частота волны совпадает с собственной частотой молекул, возникают резонансные явления и энергия радиоволны переходит во внутримолекулярную энергию.

Как видно из рисунка 2.18, для водяных паров характерно резонансное поглащение при _РЕЗ = 0.18 см и _РЕЗ = 1.3 см, а для молекул кислорода - _РЕЗ = 0.25 см и _РЕЗ = 0.5 см.

На распространение радиоволн УКВ диапазонов может оказать существенное влияние растительность, в частности, столь часто встречающиеся в Белоруси леса. Сантиметровые радиоволны поглащаются главным образом в листве, а более длинные – в стволах и сучьях деревьев.

На рисунке 2.19 показан усредненный график изменения интенсивности поглащения УКВ радиоволн во влажном густом лесу в зависимости от величины радиочастоты.

Из графика видно, что при f = 300 МГц полоса леса шириной в 1 км на пути распространения радиоволн приводит, практически, к полному поглощению их энергии. В сухом редком лесу поглощение может быть в два раза меньшим.

Если антенны расположены выше леса, то поглощения не будет, но отражение радиоволн, в этом случае, происходит от верхушек деревьев, кроны которых колеблются под действием ветра, что приводит к изменению высоты отражения, а следовательно, к изменению разности фаз прямой и отраженной волн. Поэтому будут иметь место колебания амплитуды напряженности результирующего поля в точке приема, что скажется на качестве приема.