Конспект / Распространение радиоволн / Радиоводны УКВ, СВ, КВ

Распространение радиоволн

Когда высокочастотный сигнал от передатчика подаётся на антенну, вокруг неё образуется электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве во все стороны в виде электромагнитных волн. Волны различной частоты ведут себя по-разному.

Распространение длинных волн

Длинные волны (>1000 м) могут распространяться двумя путями:

• 1) Вдоль земной поверхности. Длинные волны за счёт дифракции спокойно огибают земную поверхность(рис. 1).

• 2) Многократно отражаясь от ионосферы и поверхности земли (рис. 2).

Рис. 1

Рис. 2

Достоинства длинноволновой радиосвязи:

• Стабильность приёма. Качество приёма не зависит от времени суток, года, погодных условий.

Недостатки:

• Значительное поглощение этих волн приводит к необходимости строить для них очень мощные передатчики (сотни и тысячи киловатт).

• Атмосферные разряды (молнии) создают помехи.

Распространение средних волн

Как и длинные волны средние волны (=100..1000 м) способны огибать земную поверхность.

Средние волны так же могут отражаться от ионосферы, но днём они сильно поглощаются ионосферой, поэтому радиосвязь возможна только за счёт поверхностной волны.

• Особенностью распространения средних волн является замирание силы приёма. Связано это с тем, что к приёмной антенне подходит сразу две волны: поверхностная и пространственная.

Если две волны подошли в одной и той же фазе, то сигнал усиливается (усиливающая интерференция), если в противофазе, то происходит ослабление сигнала, вплоть до полного его исчезновения (ослабляющая интерференция). Состояние ионосферы всё время меняется, поэтому пространственная волна проходит всё время разное расстояние. Это вызывает колебание интенсивности сигнала, а значит и громкости звучания радиопередачи.

• Второй особенностью распространения средних волн является колебание силы приёма в течение суток. На больших расстояниях от передатчика днём приём может быть плохим, ночью приём улучшается. Сила приёма зависит также от времени года.

Распространение коротких волн

Короткие волны (=10..100 м) могут распространяться как земными лучами, так и ионосферными. Но энергия земной волны быстро поглощается. Поэтому практически применяемым видом распространения коротких волн является ионосферное распространение.

Но не все волны отражаются от ионосферы. Если угол падения луча на ионосферу слишком велик (больше критического) то волна покидает пределы земли. При угле падения, равном критическому, волна распространяется параллельно поверхности земли. При углах, меньших критического, волна отражается от ионосферы и возвращается на землю .

Дальность связи на коротких волнах очень сильно зависит от времени суток, времени года и от фазы одиннадцатилетнего периода солнечной активности.

На одних и тех же частотах могут вещать сразу несколько передатчиков, расположенных в разных частях земли, поэтому в определённое время суток, когда дальность связи максимальна, эти радиостанции могут мешать друг другу.

Не менее вредное явление для коротковолновой связи представляют собой замирания, которые на коротких волнах бывают более глубокими и следуют друг за другом более часто, нежели на средних волнах.

Дополнительные помехи при дальнем коротковолновом приёме может создать радиоэхо. Оно вызвано тем, что сигнал к приёмнику приходит по двум траекториям: короткой и длинной, когда сигнал за счёт многократных отражений совершает оборот вокруг земли

РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН

Радиосвязи и радиовещания. телевидение, радиолокация, ближняя радионавигация радиолиний и высокой направленности антенн. В течение десятилетий применение ультракоротких волн ограничивалось требованием прямой (геометрической) видимости между антеннами передающей и приемной станций, которое вытекает из прямолинейности распространения волн. Действительно, дифракция вокруг больших преград почти не свойственна ультракоротким волнам, поэтому ультракороткие волны первоначально применялись для ближних наземных связей.

Радиорелейная связь, которая характерна размещением вдоль трассы ряда промежуточных (ретрансляционных) станций на интервалах прямой видимости между соседними антеннами

Рисунок 1 – Предельное расстояние прямой видимости между антеннами

Чтобы увеличить это расстояние, антенны поднимают на высокие мачты или башни предельное расстояние прямой видимости d (в километрах) вычислится так:

(1)

Наземная связь на ультракоротких волнах характерна также возможностью одновременного воздействия на приемник не только прямой волны, но и волны, отражаемой от земной поверхности.

Рисунок 2 – Взаимодействие прямой и отраженной волн в пункте приема: а - геометрическое построение лучей; б - зависимость результирующего поля от высоты передающей антенны.

Поэтому в точку A2 волны по этим двум путям приходят, вообще говоря, в разных фазах. Разность их фаз зависит от разности хода (r2- r1) и от длины волны. При заданной длине волны разность хода изменяется с изменением высот антенн и расстояния d между ними, напряженность поля получит периодические изменения, как показано для примера на рис.2 б.

Возможна связь на ультракоротких волнах за пределами горизонта. Они приводящими к тем или иным искривлениям лучей ультракоротких волн.

Рисунок 3 – Распространение УКВ в тропосферном волноводе.

Возможны случаи, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой быстрее, чем при нормальном состоянии атмосферы. Это особенно часто наблюдается над водной поверхностью: влажность воздуха в нижних слоях тропосферы над водой велика и резко убывает с высотой. Тогда луч оказывается преломленным настолько сильно, что он может возвратиться к земной поверхности, отразиться от нее, вновь испытать преломление в тропосфере, возвратиться к Земле на удвоенном расстоянии и т.д. (рис. 3).

Такой случай дальнего распространения ультракоротких волн, создаваемого «сверхрефракцией» в тропосфере, называется распространением в тропосферном волноводе.

Лучи ультракоротких волн, проходя сквозь тропосферные неоднородности, испытывают частичное отражение рассеянного характера (рис.1-4,а). Рассеянно отраженные лучи направляются преимущественно вперед и вниз, так что некоторая часть энергии радиоволн достигает Земли на расстояниях, исчисляемых сотнями километров.

Рисунок 4. –Связь с рассеянным отражением УКВ: а - рассеяние на неоднородностях; б - дальность тропосферной связи.

Эти расстояния можно подсчитать, зная высоту неоднородности тропосферы h и построив из этой области две касательные прямые к поверхности Земли (рис. 4, б).

Так, если принять , то можно геометрически вычислить расстояние (дугу) . Если в пунктах A иB расположить радиостанции, то можно получить радиолинию тропосферной связи (точнее - линию связи на УКВ с использованием рассеянного отражения в тропосфере). Обычно такие линии рассчитываются на дальности до 200-300 км, но могут быть и более протяженные линии (до 1000 км).

Для линии тропосферной связи требуются значительные мощности передатчиков (от 1 до 50 кВт), антенны больших размеров с высокой направленностью и высокочувствительные приемники.

Отражение ультракоротких (конкретно – метровых) волн наблюдается также в нижних слоях ионосферы.

Ионосферные линии связи на метровых волнах способны пропускать более узкий спектр сигнала, нежели тропосферные; обычно ионосферные линии уплотняются только одним-двумя телефонными и несколькими телеграфными каналами.

Современным видом дальней связи на ультракоротких волнах нужно считать связь с использованием искусственных спутников Земли. Основным типом спутника связи является активный ретранслятор. Такой спутник несет на борту оборудование, аналогичное оборудованию промежуточной станции радиорелейной связи, осуществляющее прием сигналов от одного корреспондента и их автоматическое призлучение к другому корреспонденту. Условием нормальной связи между двумя наземными пунктами является наличие геометрической видимости с борта спутника на оба наземных пункта.

.

Рисунок 5 – Схема связи с отражением от Луны или от пассивного спутника

Пассивные искусственные спутники-отражатели могут выполняться в виде пластмассовых баллонов, забрасываемых на орбиту с помощью ракет и раздувающихся в Космосе. Диаметры их, как указывалось в литературе, могут быть в надутом состоянии 30-40 м и более. Поверхность баллона металлизируется и создает рассеянное отражение радиоволн (как и показано на рис. 5). До пункта приема доходит малая часть энергии, поэтому наземное оборудование линий связи с пассивными отражателями получается более мощным и сложным, нежели в случае активных ретрансляторов. Выбор диапазона волн для связи Земля-Космос-Земля в случае пассивных отражателей производится из тех же соображений, что и в случае активных ретрансляторов.