Особенности распространения радиоволн

В радиотехнических системах используется чрезвычайно широкий диапазон радиоволн, современная классификация которых приведена в таблице 9.1.

Диапазоны радиоволн Таблица 9.1

Наименование волн	Диапазон длин волн	Диапазон частот
Декамегаметровые	100¸10 Мм	3¸30 Гц
Мегаметровые	10¸1 Мм	30¸300 Гц
Гектокилометровые	1000¸100 км	0,3¸3 кГц
Мириаметровые	100¸10 км	3¸30 кГц
Километровые	10¸1 км	30¸300 кГц
Гектометровые	1¸0,1 км	0,3¸3 МГц
Декаметровые	100¸10 м	3¸30 МГц
Метровые	10¸1 м	30¸300 МГц
Дециметровые	1¸0,1 м	0,3¸3 Ггц
Сантиметровые	10¸1 см	3¸30 Ггц
Миллиметровые	10¸1 мм	30¸300 Ггц
Децимиллиметровые	1¸0,1 мм	0,3¸3 Тгц

По десятичной классификации радиоволн, существующей в практике радиосвязи многие годы, различают сверхдлинные (СДВ) (10¸100 км), длинные (1¸10км), средние (100¸1000м), короткие (10¸100м), метровые (1¸10м), дециметровые (10см¸1м), сантиметровые (1¸10см) и миллиметровые (1мм¸1см) волны. Радиоволны длиной от 1мм до 10м относятся к диапазону ультракоротких волн (УКВ). УКВ диапазон включает в себя четыре поддиапазона: метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Сантиметровые и дециметровые волны относятся к диапазону сверхвысоких частот (СВЧ).

Распространение электромагнитных волн от передатчика к приемнику происходит в свободном пространстве, окружающем земной шар. Свойства этой среды оказывают влияние на качество радиосвязи. Скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве

, (9.1)

где: - диэлектрическая проницаемость воздуха (вакуума);

- магнитная проницаемость воздуха (вакуума).

Волновое сопротивление свободного пространства

. (9.2)

Поверхностный слой Земли является слабо проводящей средой, по изгибам которой распространяется и частично поглощается электромагнитная волна. Существенное влияние на распространение радиоволн оказывают неоднородности атмосферы, которую принято делить на три слоя: тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Нижний слой атмосферы называется тропосферой. Тропосфера простирается над земной поверхностью до высот 8¸10 км в полярных широтах и до 16¸18 км в тропиках. Воздушные течения создают в тропосфере большое число локальных неоднородностей, насыщенных водяными парами, которые существенно влияют на распространение радиоволн.

На высотах от 10¸18 км до 60 км находится стратосфера. Плотность воздуха в стратосфере значительно меньше, чем в тропосфере. Здесь нет воздушных течений и перемешивание газов происходит только за счет восходящих и нисходящих потоков. Малая неоднородность стратосферы слабо влияет на распространение радиоволн.

Начиная с высоты примерно 60 км, располагается верхний слой атмосферы – ионосфера. На больших высотах газы располагаются в соответствии с их молекулярным весом, что приводит к расслоению атмосферы. Под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца и потока космических частиц в этой области происходит ионизация отдельных атомов газов, в результате чего появляются свободные электроны и положительно заряженные ионы. Благодаря наличию электрически заряженных частиц ионосфера обладает свойством отражать радиоволны. Связь на больших расстояниях при малых мощностях передатчиков становится возможной благодаря пространственным волнам, которые отражаются от ионосферы. Различают четыре области ионизации: D, E, F ₁, F _2.

Существует два четко выраженных максимума ионизации: один на высоте от 90 до 170 км, так называемый слой Е, и слой F, который начинается на высоте 200 км и простирается до высоты 500 км. Электронная плотность слоя Е колеблется от 10³ до 10⁵ эл/см³. Слой F расщепляется на два слоя – F ₁ (от 200 км до 300 км) и F ₂ (от 300 км до 500 км). Электронная плотность в слое F достигает величины 10⁶ эл/см³ и более. Строение ионосферы непрерывно изменяется. Эти изменения имеют годичную и суточную периодичность, а также связаны с периодом солнечной активности. Самый нижний слой ионосферы, слой D, ежедневно возникает на высоте от 60 км до 90 км и имеет плотность порядка 10²¸10³ эл/см³. Распределение электронной плотности слоев ионосферы показано на рис.9.1.

 

Рис.9.1. Электронная плотность слоев ионосферы.

За пределами земной атмосферы простирается космическое пространство, которое состоит из электронов, протонов и атмосферного водорода и имеет плотность 20¸40 эл/см³.

В однородных средах радиоволны распространяются по прямолинейным траекториям. Радиоволны, распространяющиеся вблизи поверхности Земли из-за явления дифракции, огибают ее поверхность и называются земными или поверхностными волнами.

Изменение электрических параметров тропосферы и наличие большого числа неоднородностей приводит к искривлению траекторий распространения радиоволн и к их рассеянию. Радиоволны, распространяющиеся за счет направленного действия тропосферы и рассеяния в тропосфере, называются тропосферными.

В ионосфере радиоволны способны испытывать как однократное, так и многократное отражение. При однократном отражении радиоволны способны распространяться на расстояния свыше 4000 км. При многократном отражении радиоволны распространяются в сферическом волноводе Земля-ионосфера и способны несколько раз обогнуть земной шар. Радиоволны, отражающиеся от ионосферы, называются ионосферными или пространственными.

Каждый из диапазонов радиоволн отличается своими особенностями распространения.

Для длинных волн (l=1¸10 км) характерно распространение за счет двух волн: поверхностной и ионосферной. Поверхностные волны затухают сравнительно медленно и распространяются вследствие дифракции на расстояния 300¸400 км. На большие расстояния распространяются ионосферные волны, которые появляются из-за отражения от нижних границ слоя D в дневное время и слоя E в ночное время. Связь на длинных волнах весьма устойчива, что обусловлено относительным постоянством электронной плотности в слое Е.

Распространение средних волн (l=100¸1000 м) также происходит за счет поверхностной и ионосферной волн. Так как затухание радиоволн в почве растет пропорционально квадрату частоты, то средние волны распространяются на меньшие расстояния по сравнению с длинными волнами. Ионосферные волны в диапазоне средних волн отражаются от средних областей слоя Е, где электронная плотность достаточно высока. Проникновение радиоволн на значительную глубину слоя Е приводит к их сильному поглощению. Особенно велико затухание средних волн днем, когда появляется слой D, а нижняя граница слоя Е опускается. Ночью электронная плотность в слое D и в нижних областях слоя E сильно падает и затухание волн в них значительно уменьшается. В ночное время на больших расстояниях от радиостанции электромагнитное поле является результатом интерференции поверхностной и ионосферной волн, что вызывает эффект замирания сигнала.

На коротких волнах (l=10¸100 м) поверхностные волны затухают больше, чем на средних волнах. Поэтому радиосвязь за счет поверхностных волн возможна только на расстояниях в несколько десятков километров. Радиосвязь на больших расстояниях осуществляется только за счет ионосферных волн. Отражение от ионосферы происходит лишь при условии, что угол падения достаточно мал. Волны, распространяющиеся под большим углом к горизонту, проникают в ионосферу без отражения и назад не возвращаются. Поэтому вблизи передатчика образуется «зона молчания», куда не попадают ни поверхностные, ни ионосферные волны, как показано на рис.9.2.

Рис.9.2. Образование зоны молчания

 

В зависимости от времени суток различают оптимальные с точки зрения отражения от ионосферы длины волн и используют дневные волны (l=10¸25 м), ночные волны (l=35¸100 м) и сумеречные волны (l=25¸30 м). Особенностью радиосвязи на коротких волнах являются замирания сигнала, вызываемые интерференцией нескольких ионосферных волн, приходящих в приемную антенну различными путями.

В УКВ диапазоне (l=1 мм¸10 м) каждый из четырех поддиапазонов имеет свои особенности распространения. Волны всех поддиапазонов не испытывают отражений от ионосферы, поэтому на УКВ невозможна радиосвязь за счет ионосферной волны. В то же время волны УКВ диапазона слабо дифрагируют на поверхности Земли. Поэтому нормальную радиосвязь можно обеспечить лишь в пределах прямой видимости на расстоянии

км, (9.3)

где и - соответственно высота передающей и приемной антенн в метрах.

Для увеличения дальности связи в УКВ диапазоне необходимо увеличивать геометрическую высоту антенн, что реализуется строительством высотных башен. Кроме того, для распространения УКВ на большие расстояния строят специальные ретрансляционные линии передач и используют искусственные спутники Земли.

Возможно также получить достаточно надежную связь за счет рассеяния УКВ на неоднородностях тропосферы и ионосферы. При рассеянии создается излучение во все стороны, как показано на рис. 9.3, причем наибольшая часть излучения направлена в сторону распространения исходной волны – это так называемое «рассеяние вперед».

 

Рис.9.3.Тропосферное рассеяние

 

Кроме него имеется, хотя и более слабое, излучение во всех направлениях, за счет которого возможен прием УКВ и за пределами прямой видимости. Эффект рассеяния от многих неоднородностей усредняется, что обеспечивает в приемной антенне напряженность поля, достаточную для надежной непрерывной связи.

АНТЕННЫЕ УСТРОЙСТВА

В большинстве радиотехнических систем распространение электромагнитных волн от передатчика к приемнику происходит в свободном пространстве. При этом высокочастотные модулированные электромагнитные колебания излучаются передающей антенной. В приемной антенне электромагнитные волны возбуждают токи высокой частоты, энергия которых поступает на вход приемника. Передающая антенна преобразует энергию токов высокой частоты в энергию электромагнитных волн, а приемная антенна преобразует энергию электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты. Таким образом, задача приема радиоволн является обратной задаче их излучения. Для приема радиоволн можно использовать такие же антенны, какие используются для их излучения. Этот “ принцип взаимности ” позволяет ограничиться изучением свойств каждой антенны либо только в качестве передающей, либо только в качестве приемной. Изучив свойства антенны в качестве передающей, можно на основании принципа взаимности определить ее свойства в качестве приемной и наоборот.

Если передатчик и приемник удалены от своих антенн, то между ними используются линии передачи, называемые фидерами. Чаще всего в качестве фидеров используются коаксиальные кабели.

В разных диапазонах волн используются различные по конструкции антенны. По типу излучающих элементов антенны делятся на линейные, апертурные и антенны поверхностных волн.

Линейными называются антенны, у которых токи проходят по каналам с поперечными размерами, малыми по сравнению с продольными размерами антенн и длиной волны. Линейными являются проволочные и щелевые антенны в волноводах и резонаторах.

В апертурных антеннах токи высокой частоты проходят по поверхностям, размеры которых соизмеримы или намного больше длины волны. Эти антенны содержат открытую поверхность, называемую апертурой или раскрывом антенны, через которую проходит излучаемая электромагнитная энергия.

Антенны поверхностных волн состоят из возбудителя и направителя. В этих антеннах возбуждаются бегущие электромагнитные волны, которые распространяются вдоль направителя и с его поверхности излучаются в свободное пространство.

Все три типа антенн применяются в виде одиночных антенн, а также в виде многоэлементных устройств, возбуждаемых одним высокочастотным генератором, называемых антенной решеткой. Антенные решетки позволяют получить требуемое пространственное распределение излучаемой энергии и возможность управления этим распределением во времени.

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: