Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Техническая электродинамика Черенков (Кривець)

.pdf
Скачиваний:
113
Добавлен:
23.03.2016
Размер:
4.42 Mб
Скачать

 

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

101

станцию В. На рис. 5.9. пунктир-

 

 

 

 

ной линией показаны траектории

 

 

 

 

лучей, которые

могут быть не

 

А1

 

 

прямолинейными за счет рефрак-

А

А2

В

 

ции волн в тропосфере.

 

 

 

 

Волны,

распространяю-

Рисунок 5.9 – Схема радиорелейной

щиеся в непосредственной бли-

 

линии связи

 

зости от сферической поверх-

 

 

 

 

ности полупроводящей Земли, огибающей ее за счет явления дифракции и

испытывающие поглощение в Земле, называются земными волнами.

 

Земные волны в основном используются на низких и очень низких

частотах в низкоскоростных глобальных системах передачи информации и

глобальных системах радионавигации.

 

 

 

 

Радиоволны, распространяющиеся на значительные расстояния за счет

искривления траектории волны в тропосфере (рефракция волн), а также за счет

рассеивания на неоднородностях тропосферы, получили название

тропосферных волн.

 

 

 

 

 

Явление рефракции нестабильно и потому практически не используется

для создания стационарных линий радиосвязи. Рефракция учитывается при

оценке помех и взаимного влияния одних линий радиосвязи на другие. На

практике применяются линии дальней тропосферной радиосвязи (линия ДТР),

которые используют радиоволны, рассеянные на неоднородностях тропосферы.

Такие системы позволяют осущест-

 

 

 

 

 

 

вить радиосвязь до 2000 км. Линия

 

 

 

 

С

 

ДТР состоит из двух подвижных

 

 

 

 

 

приемопередающих станций, кото-

 

 

 

 

 

 

рые располагаются в точках А и В

 

 

 

 

 

 

(см. рис. 5.10) и которые имеют

 

 

 

 

 

 

узкую ДН. Главные лепестки антенн

 

 

 

 

 

 

ориентированы

на

определенную

 

А

 

 

 

В

область тропосферы (точка С на рис.

Рисунок 5.10 – Рассеяние волн

 

5.10) и такую, которая обеспечивает

 

эффективное рассеяние в направле-

 

на неоднородностях тропосферы

нии приемной станции.

 

 

 

 

 

 

 

 

Радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния и огибающие

земной шар в результате однократных либо многократных отражений от

ионосферы, называются ионосферными волнами. Волны, рассеянные на

неоднородностях ионосферы называют также ионосферными, но чаще

рассеянными волнами.

 

 

 

 

 

 

 

 

Ионосферные волны широко используются в так называемых линиях

коротковолновой связи. Линии коротковолновой связи позволяют осуществить

радиосвязь практически на любое расстояние за счет многократных отражений

от

ионосферы

и

поверхности

Земли.

На

рис.

5.11

приведены

схема

102

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

 

Ионосфера

односкачковой (одно отражение от

 

 

ионосферы) линии коротковолновой

 

 

связи, с помощью которой можно

 

 

обеспечить связь на расстояние до

 

 

4000 км. На этом рисунке линия из

 

 

пункта А в пункт В показывает

 

 

траекторию радиоволны.

А

В

 

 

 

Рисунок 5.11 – Схема односкачковой

 

линии коротковолновой связи

 

5.11. Классификация радиоволн по диапазонам

Весь диапазон частот от 3 кГц до 300 ГГц радиоволн, в соответствии с рекомендациями Международного Союза Электросвязи (МСЭ), принято делить на восемь диапазонов, границы которых (по частоте и длине волны) и соответствующие названия приведены в табл. 5.3. В этой же таблице приведена краткая информация об особенностях распространения, отражения и излучения радиоволн соответствующего диапазона и его использовании.

Таблица 5.3 – Классификация радиоволн по диапазонам

Границы

Наименование

Особенности распространения, отражения

диапазона

диапазона

и излучения волн. Использование диапазона

1

2

3

3…30 кГц

Очень низкие

Проникают вглубь почвы и воды. Очень

(10…100 км)

частоты (ОНЧ)

мало поглощаются в Земле и огибают ее.

 

(Мириа-

Отражаются от ионосферы и днем, и ночью.

 

метровые

Огибают, не отражаясь, обычные объекты.

 

волны)

Антенны очень громоздкие. В основном

 

 

используется в низкоскоростных глобаль-

 

 

ных системах передачи информации и

 

 

глобальных системах радионавигации

30…300 кГц

Низкие частоты

Мало поглощаются в Земле и частично

(1…10 км)

(НЧ)

огибают ее. Отражаются от ионосферы

 

(Километровые

ночью. Огибают, не отражаясь, обычные

 

волны)

объекты. Громоздкие антенны. В системах

 

 

передачи информации используется мало. В

 

 

основном используется в системах дальней

 

 

навигации

 

 

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

103

 

Окончание табл. 5.3

 

 

 

 

1

2

3

 

 

 

0,3 ... 3 МГц

Средние

Поглощаются в Земле. Интенсивно отра-

 

 

(100 ... 1000 м)

частоты

жаются от ионосферы ночью. Огибают, не

 

 

 

(СЧ)

отражаясь, обычные объекты. Антенны

 

 

 

Гектометро-

средних размеров. В основном использует-

 

 

 

вые волны

ся в радиовещании и системах радиона-

 

 

 

 

вигации средних дальностей

 

 

 

3 ... 30 МГц

Высокие

Сильно поглощаются в Земле. Интенсивно,

 

 

(10 ... 100 м)

частоты (ВЧ)

но с малыми потерями и избирательно

 

 

 

Декаметровые

отражаются от ионосферы. Слабо отра-

 

 

 

волны

жаются от обычных объектов. Антенны

 

 

 

 

небольших размеров. В основном исполь-

 

 

 

 

зуются в радиовещании и системах связи на

 

 

 

 

большие расстояния с низкой скоростью

 

 

 

 

передачи, в том числе для подвижных

 

 

 

 

объектов и в труднодоступных районах

 

 

30 ... 300 МГц

Очень

Очень сильно поглощаются в Земле. Не

 

 

(1 ... 10 м)

высокие

отражаются от ионосферы. Распростра-

 

 

 

частоты

няются в пределах прямой видимости. Ин-

 

 

 

(ОВЧ)

тенсивно отражаются от обычных объек-

 

 

 

Метровые

тов. Антенны компактные. Используется в

 

 

 

волны

радиовещании и телевидении, в системах

 

 

 

 

связи с подвижными объектами, в радиоре-

 

 

 

 

лейных и спутниковых системах связи

 

 

0,3 ... 3 ГГц

Ультра-

Распространяются только в пределах пря-

 

 

(0,1 … 1 м)

высокие

мой видимости. Не отражаются от ионо-

 

 

 

частоты

сферы. Интенсивно отражаются от обыч-

 

 

 

(УВЧ)

ных объектов. Антенны компактные. Ис-

 

 

 

Дециметровые

пользуется в радиорелейных и спутнико-

 

 

 

волны

вых системах связи

 

 

 

3 ... 30 ГГц

Сверхвысокие

Распространяется только в пределах пря-

 

 

(1 ... 10 см)

частоты

мой видимости. Избирательно поглощают-

 

 

 

(СВЧ)

ся в атмосфере. Интенсивно отражаются от

 

 

 

Сантиметро-

объектов. Антенны компактные. Исполь-

 

 

 

вые волны

зуется в радиорелейных и спутниковых

 

 

 

 

системах связи

 

 

 

30 ... 300 ГГц

Крайне

Сильно поглощаются в

атмосферных

 

 

(0,1 ... 1 см)

высокие

образованиях (дождь, туман, пыль).

 

 

 

частоты

Антенны компактные. Используются в

 

 

 

(КВЧ)

радиорелейных и спутниковых системах

 

 

 

Миллиметро-

связи

 

 

 

 

вые волны

 

 

 

104

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

5.12.Расчет действующего значения напряженности поля. Понятие множителя ослабления. Основное уравнение радиолинии

Рассмотрим передающую антенну (входящую в состав некоторой системы радиосвязи), которая характеризуется коэффициентом направленного действия D и излучает мощность P . Действующее значение напряженности поля, создаваемое этой антенной на расстоянии r определяется по следующей формуле:

Е =

173 Р[кВт]D

(5.35)

F , мВ/м,

r[км]

где F – множитель (функция) ослабления, который показывает, во сколько раз напряженность поля, создаваемая данной антенной, расположенной в реальных условиях, больше напряженности поля, которую бы создавала эта антенна в свободном пространстве.

Из формулы (5.35) следует важный для практики факт. Напряженность поля, создаваемая реальной антенной, зависит от произведения мощности излучения на коэффициент направленного действия антенны. Этот факт широко используется при создании современных линий радиосвязи.

Например, комплект земной станции спутниковых систем связи СВЧ диапазона обычно содержит передатчик небольшой мощности (не более одного кВт) и зеркальную антенну больших электрических размеров (с большим коэффициентом направленного действия). Другой пример. Комплект линии коротковолновой связи содержит передатчик большой мощности (до нескольких десятков кВт) и антенну с небольшим значением коэффициента направленного действия. Выбор того или другого варианта построения системы радиосвязи определяется, в основном, экономическими факторами. При этом учитываются также вопросы экологии и электромагнитной совместимости (влияние одних линий связи на другие).

Формулу (5.35) легко получить, если учесть, что в дальней зоне векторы электромагнитного поля, создаваемые антенной, определяются соотношениями (4.24) и (4.25) и тот факт, что модуль вектора Пойнтинга равен:

П = РD/4πr2, Вт/м2, где Р – мощность излучения источника.

Отметим, что в формулу (5.35) величина P берется в кВт, а расстояние в км. При этом значение напряженности поля получается в мВ/м. Такой выбор размерностей удобен на практике.

Множитель ослабления F , входящий в (5.35), зависит от типа системы радиосвязи, диапазона частот, параметров Земли и атмосферы. Расчет множителя ослабления производится по формулам, приведенным либо в справочной литературе, либо в рекомендациях Международного Союза Электросвязи.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

105

Например, величина множителя ослабления в случае, когда антенна расположена над плоской поверхностью (модель плоской Земли) в однородной изотропной среде, может быть рассчитана по следующей интерференционной формуле:

F =

1 + R2 + 2R cos(θ + h1h2 )

,

(5.36)

 

λr

 

где R и θ – модуль и аргумент комплексного коэффициента отражения, который определяется по формуле (5.11) или (5.13) (в зависимости от поляризации поля, излучаемого антенной); h1 – высота передающей антенны; h2 – высота

приемной антенны.

Рассмотрим теперь систему радиосвязи, представленную на рис. 4.9. Мощность сигнала P2 на входе приемника системы находится из, так

называемого, основного уравнения радиолинии, которое имеет следующий вид:

 

 

 

λ

2

2

,

(5.37)

P = P η η

G G

 

 

 

F

 

 

 

2 1 1 2

2 1

 

r

 

 

 

 

где Р1 – мощность передатчика; G1 и G2 − коэффициенты усиления передающей и приемной антенн, которые связаны с коэффициентами направленного действия антенн формулой (4.32); η1 и η2 − коэффициенты полезного действия фидера передающей и приемной антенн; λ − рабочая длина волны; r − длина линии радиосвязи; F − множитель ослабления.

Из формулы (5.37) видно, что мощность на входе приемника

определяется, произведением PG , коэффициентом усиления приемной

1 1

антенны, отношением длины волны к длине линии радиосвязи и множителя ослабления. Эта формула широко используется при анализе существующих и разработке новых систем радиосвязи.

Разделим обе части равенства (3.57) на P0 = 1Вт и возьмем 10 lg от обеих

частей полученного равенства. Тогда основное уравнение радиолинии примет следующий вид:

10 lg P2 = 10 lg

P0

или

P2[дБ,Вт] =

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

1

+ 10 lgη

 

+

10 lgη

 

+ 10 lg G

 

+ 10 lg G + 20 lg

 

 

+

20 lg F

 

 

1

2

2

 

 

 

P0

 

 

 

 

 

 

 

1

4πr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ

 

 

 

P

 

+ η

 

 

+ η

 

+ G

+ G

+ 20lg

 

 

+ F

. (5.38)

 

 

 

 

 

 

1[дБ,Вт]

1[дБ]

2[дБ]

2[дБ]

 

 

1[дБ]

 

r

 

[дБ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

106

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

 

 

 

5.13. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов

Рассмотрим кратко основные особенности распространения радиоволн.

5.13.1. Радиоволны ОНЧ и НЧ диапазонов. Эти волны распространяются

как земные и как ионосферные. Как ионосферные они распространяются на

большие расстояния в результате последовательных отражений между

поверхностью Земли и нижней границей области D ионосферы в дневные часы

и области Е – в ночные часы. Поверхность Земли и нижняя граница ионосферы

 

Ионосфера

 

 

образуют своеобразный сфери-

 

 

 

ческий волновод (рис. 5.12).

 

 

 

 

Радиоволны ОНЧ и

НЧ

 

 

 

 

диапазонов

испытывают

слу-

 

 

 

 

чайные и суточные

колебания

 

 

 

 

напряженности поля.

 

 

А

Земля

В

 

Случайные

колебания

 

напряженности поля (замира-

 

 

 

 

Рисунок 5.12 – Волновод Земля-ионосфера

ния) обусловлены тем, что

вследствие

неоднородности

 

 

 

 

ионизирующего потока и наличия восходящих и нисходящих течений воздуха в

верхних слоях атмосферы в ионосфере происходят непрерывные изменения

электронной концентрации N. Под действием этих изменений меняется высота

отражений радиоволн, а следовательно, и фазы интерферирующих лучей. В

точку приема приходят много лучей

с разным количеством отражений (см.

рис. 5.12). Все это приводит к колебаниям напряженности поля в месте приема.

Эти колебания очень медленны. В среднем в диапазоне ОНЧ поле меняется не

более, чем на 10 … 30 % за время, исчисляемое десятками минут и даже часами.

Суточные колебания напряженности поля обусловлены тем, что при

отражении от полупроводящей области D ионосферы волны затухают больше,

чем при отражении от области Е.

Так как ночью область D ионосферы

отсутствует, то с наступлением темноты напряженность поля, как правило,

возрастает. Это увеличение тем заметнее, чем короче длина волны.

 

 

Радиоволны ОНЧ и НЧ диапазонов практически не испытывают влияние

времени года, влияние 11-летнего периода солнечной активности, а также

влияние ионосферных возмущений. Ионосферные возмущения существенно

влияют на параметры ионосферы в ее верхних слоях.

 

 

 

5.13.2. Радиоволны СЧ диапазона. Эти радиоволны испытывают сильное поглощение в слое D, поэтому в дневные часы они распространяются как земные, а с наступлением темноты – как земные и как ионосферные.

В дневные часы зимних месяцев в высоких широтах ионосферные волны также могут создать заметную напряженность поля в месте приема.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

107

Радиоволны СЧ диапазона испытывают случайные колебания напряженности поля. Эти колебания обусловлены интерференцией земной и ионосферной волны.

Из рис. 5.13 видно, что в точку приема В приходит зем-

ная (1) и ионосферная (2) вол-

 

2

ны. Так как параметры ионо-

 

1

сферы меняются во времени по

 

случайному закону, то по слу-

 

 

чайному

закону

изменяется

 

 

разность фаз между земной и

А

В

ионосферной

волнами. Это

Рисунок 5.13 – Земная и ионосферная волны

влечет

за

собой

случайное

изменение амплитуды результирующего поля. Такое явление называют замиранием. При этом, чем меньше λ, тем быстрее замирания.

Замирания в диапазоне СЧ происходят в обширной области вокруг передающей станции, в которую приходят земная и ионосферная волны сравнимых интенсивностей. Радиоволны СЧ диапазона интенсивно используются в радиовещании; имеются и радионавигационный системы СЧ диапазона. Наличие замираний приводит к ухудшению качества радиовещания. Для уменьшения области замираний на передающей станции используют антенны, которые ослабляют поле ионосферной волны. Такие антенны называют антифединговыми, они направляют излучение антенны в основном

под малыми углами к горизонту.

 

На рис. 5.14 сплошной линией

 

 

 

 

 

 

показана диаграмма направлен-

 

 

 

ности обычного вертикального виб-

 

 

 

ратора радиовещательной станции,

 

 

 

а пунктирной – диаграмма направ-

0

а

b

ленности антифединговой антенны,

 

Рисунок 5.14 – Пояснения

 

которая представляет собой верти-

 

 

кальный вибратор с регулируемым

 

к антифединговым антеннам

 

 

 

распределением тока.

 

 

 

 

Радиоволны СЧ диапазонов незначительно испытывают влияние времени

года,

влияние 11-летнего периода солнечной активности, а также влияние

ионосферных возмущений.

5.13.3. Радиоволны ВЧ диапазона. Эти радиоволны как земные распространяются на несколько десятков километров. Это связано с тем, что они сильно поглощаются в земной поверхности. Как ионосферные радиоволны ВЧ диапазона могут распространяться на любые расстояния путем

108

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

однократного или многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли.

Радиоволны ВЧ диапазона в бóльшей степени, чем радиоволны СЧ диапазона, подвержены замираниям. Замирания могут быть обусловлены интерференцией двух ионосферных волн, испытавших различное число отражений от ионосферы, интерференцией обыкновенной и необыкновенной

волны и др. На рис. 5.15 в точку

1

приема приходит две волны,

 

которые

отразились от разных

 

областей

ионосферы.

Так как

2

параметры ионосферы меняются

 

по случайному закону и не

 

коррелированны для

различных

 

областей

ионосферы,

разность

 

 

фаз волны 1 и волны 2 в точке

А

В

приема

также изменяется

по

 

 

случайному закону. Это

и

Рисунок 5.15 – Замирания за счет

приводит к замираниям сигнала.

интерференции двух ионосферных волн

Существует два

метода

 

 

борьбы с замиранием в ВЧ диапазоне: пассивный – применение автоматической регулировки усиления

приемника и активный – прием на разнесенные в пространстве антенны. Радиоволны ВЧ диапазона испытывают значительные суточные и сезон-

ные колебания напряженности поля. Они подвержены влиянию 11-летнего периода солнечной активности и ионосферных возмущений.

В диапазоне ВЧ наблюдается явлением эхо, которое связано с тем, что в точку приема приходят «прямой» и обогнувший Землю сигналы. В диапазоне ВЧ имеются зоны молчания, которые представляют собой концентрическую область вокруг передающей станции, в пределах которой отсутствуют как земные, так и ионосферные волны.

ВЧ диапазон условно делят на дневные (10 … 25 м), ночные (35 … 100 м) и промежуточные (25 … 35 м) волны. Это связано с тем, что для осуществления радиосвязи в этом диапазоне нужно учитывать два условия:

1.Применяемая для радиосвязи частота должна быть меньше максимально применимой частоты, определенной для заданной длины линии радиосвязи.

2.Поглощение радиоволны в области D и Е не должно быть чрезмерно большим (ограничение частоты снизу).

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

109

На рис. 5.16 показана траектория радиоволны в тех случаях, когда рабочая частота превышает максимально применимую частоту. На рис. 5.17 показана траектория волны при повышенном поглощении в слоях D и Е.

F2

 

F2

 

 

Е

 

Е

 

 

А

В

D

А

В

 

Рисунок 5.16 – Рабочая частота

Рисунок 5.17 – Поглощение

волны в ионосфере

больше максимально применимой

 

5.13.4. Радиоволны ОВЧ, УВЧ, СВЧ и КВЧ диапазонов. Радиоволны этих диапазонов как земные распространяются на небольшие расстояния. Они в основном используются как прямые волны.

Как ионосферные радиоволны ОВЧ диапазона могут распространяться только в годы максимальной солнечной активности и за счет отражений от нерегулярных областей с повышенной ионизацией и от ионизированных следов метеоров. Радиоволны ОВЧ диапазона распространяются на большие расстояния как тропосферные за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы.

Радиоволны СВЧ диапазона избирательно поглощаются в атмосфере. Радиоволны КВЧ диапазона сильно поглощаются в атмосферных образованиях (дождь, туман, пыль).

110

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

ЛИТЕРАТУРА

1.Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика.

– М.: Радио и связь, 2002. – 536 с.

2.Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. – М.: Связь, 1971. – 488 с.

3.Фальковский О.И. Техническая электродинамика. – М.: Связь, 1978. – 432 с.

4.Семенов Н.А. Техническая электродинамика. – М.: Связь, 1974. – 480 с.

5.Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. – М.: Радио и связь, 1989. – 352 с.

6.Панфілов І.П., Дирда В.Ю., Капацін А.В. Теория електричного зв’язку. – К.:

Техніка, 1999. – 322 с.

7.Долуханов М.П. Распространение радиоволн. – М.: Связь, 1972. – 336 с.

8.Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. – М.:

Наука, 1973. – 608 с.

9.Лебедев Ю.Н., Прейзер Л.Б. Задачник по технической электродинамике. – Одесса: ОЭИС им. А.С. Попова, 1974. – 87 с.

10.Черенков В.С., Драганов В.М., Соломко А.В. Электродинамика информа-

ционных систем: Учеб. пособие. – Одесса: УГАС, 1997. – 90 с.