Фізичні процеси при розповсюдженні радіохвиль різних діапазонів

Декакилометрові (дуже довгі) і кілометрові (довгі) хвилі.

У цих діапазонах працюють різні радіосистеми — навігація, зв'язок, мовлення.

Механізм розповсюдження радіохвиль цих діапазонів визначається великим абсолютним значенням довжини хвилі — від кілометра до десятків кілометрів. У зв'язку з цим спостерігається достатньо сильна дифракція електромагнітних хвиль навколо сферичної поверхні Землі. За рахунок поверхневої земної хвилі можливе розповсюдження на відстані до 1500... 2000 км. (залежно від потужності передавача). Це пояснюється не тільки сильною дифракцією, але і малим рівнем втрат енергії в землі, оскільки на низьких частотах практично всі грунти по електричних параметрах можуть бути віднесені до ідеальних (хорошим) провідників.

Розповсюджуючись як просторові, хвилі цих діапазонів відбиваються від самого нижнього шару іоносфери D, що пов'язане з малим значенням частоти (3... 300 кГц). Електромагнітні хвилі з такими низькими частотами зазнають віддзеркалення від іоносфери навіть при тій незначній електронній концентрації, якою володіє найслабкіший іонізований шар D. Вночі, коли шар D розсмоктується, віддзеркалення походить від більш іонізованого шару Е. Оскільки шари D і Е є найближчими до поверхні Землі, їх параметри в малому ступені змінюються при всіляких варіаціях сонячної радіації. Поле радіохвилі в точці прийому в цих діапазонах характеризується стабільністю як по амплітуді, так і по фазі, що дозволяє використовувати їх в системах радіонавігації.

Великий рівень атмосферних (грозяних) і індустріальних радіоперешкод не дозволяє отримати хорошу якість зв'язку в цих частотних діапазонах.

Хвилі гектометрів (середні). Використовуються для радіонавігації, радіозв'язку з рухомими об'єктами і радіомовлення. Хвилі цього діапазону розповсюджуються як поверхневі і як просторові. Проте у зв'язку з меншою довжиною хвилі дальність розповсюдження поверхневої хвилі 300... 500 км., що пояснюється як погіршенням дифракції, так і збільшенням втрат в грунті. Просторова хвиля випробовує віддзеркалення від шару Е іоносфери.

Особливістю розповсюдження радіохвиль діапазону гектометра є випадкові коливання поля в точці прийому — завмирання. Завмирання виникають в різних частотних діапазонах у тому випадку, коли в точку прийому від джерела приходить декілька електромагнітних хвиль по різних траєкторіях. Це явище носить назва багатопроміневості. Для виникнення завмирань, крім того, необхідно, щоб фаза хоч би одного з променів змінювалася по випадковому закону. Тоді в результаті інтерференції (складання) променів рівень поля в точці прийому носитиме випадковий характер.

У діапазоні хвиль гектометрів завмирання можуть виникнути на середніх (мал. а) і великих (мал. б) відстанях від випромінювача. У першому випадку спостерігається інтерференція поверхневої і просторової хвилі, а в другому — двох просторових хвиль, що зазнали різне число віддзеркалень від іоносфери. Фаза поверхневої хвилі з часом не міняється, оскільки вона залежить від відстані і параметрів грунту. Фаза просторової хвилі безперервно міняється. Це пов'язано з тим, що параметри іоносфери не залишаються постійними, а отже, висота точки віддзеркалення є випадковою. Навіть невеликі коливання електронної концентрації приводять до зміни довжини шляху іоносферної хвилі. У зв'язку з відносно невеликою довжиною хвилі в діапазоні гектометра зміну довжини світивши навіть на декілька сотів метрів змінює фазу хвилі, що значно розповсюджується (на π і більш).

Завмирання є шкідливим явищем. Для боротьби з ними в діапазоні хвиль гектометрів використовуються спеціальні передавальні антени і автоматичне регулювання посилення в приймачі.

Декаметрові хвилі. Використовуються для магістрального радіозв'язку, радіомовлення, радіонавігації, радіолокації. Не дивлячись на широкий розвиток останніми роками систем зв'язку, що використовують штучні супутники Землі, цей діапазон не втратив свого значення для зв'язку з рухомими об'єктами, що пояснюється застосуванням достатньо простих антен, передавачів невеликої потужності і не дуже чутливих приймачів. На декаметрових хвилях можна забезпечувати зв'язок практично між будь-якими двома точками в межах земної кулі, проте фізичні процеси при їх розповсюдженні набагато складніші, ніж для раніше розглянутих діапазонів.

Декаметрові хвилі можуть розповсюджуватися як поверхневі і як просторові. Проте дальність дії поверхневої хвилі обмежується відстанями близько декількох десятків кілометрів (50... 80 км.), що пов'язане з вельми слабкою дифракцією із-за малого значення робочої довжини хвилі і сильним поглинанням в грунті, який поводиться як напівпровідник. Радіозв'язок в діапазоні декаметрових хвиль, як правило, здійснюється за рахунок просторової хвилі, що відбивається від верхнього, найбільш іонізованого шару F2. Розглянемо докладніше процеси, що відбуваються з радіохвилею в іонізованому шарі.

Віддзеркалення електромагнітної хвилі від іонізованого шару можливо тільки у тому випадку, коли хвиля в процесі розповсюдження не досягла максимуму електронної концентрації. Якщо ж вона його пройшла, то кут не збільшуватиметься, а зменшуватиметься, і радіохвиля «проколе» шар (промені 1, 2 на малюнку).

Віддзеркалення вертикально направленого променя визначається його частотою і електронною концентрацією шаруючи. У міру зростання частоти електромагнітна хвиля все глибше проникає в шар і, нарешті, пройшовши область максимуму електронної концентрації шаруючи, хвиля не відбивається. Та найбільша частота електромагнітної хвилі, при якій ще можливе віддзеркалення вертикально направленого променя від шару, отримала назву критичної частоти шаруючи.

Для діапазону декаметрових хвиль характерне явище, яке не спостерігається в інших діапазонах, — зона мовчання. Утворення цієї зони показане на малюнку. Дальність розповсюдження поверхневої хвилі обмежена точкою В. Промені 1, 2 підходять до іоносфери під такими малими кутами, що віддзеркалення не спостерігається. Промінь 3 — це перший промінь, який може відбитися від іоносфери при заданій (робочою) частоті. При збільшенні кута (промінь 4) віддзеркалення відбудеться тим більше. У зв'язку з цим в інтервалі відстаней від точки В до точки З відсутня як поверхнева, так і просторова хвилі. Значить, навколо радіостанції утворюється область, в якій прийом неможливий. Для зменшення зони мовчання треба знизити робочу частоту.

Метрові хвилі (MХ). Використовуються для телебачення, високоякісного стереофонічного радіомовлення, для зв'язку з рухомими об'єктами, радіолокації.

Основні особливості розповсюдження радіохвиль цього діапазону пов'язані з малою довжиною хвилі — 1... 10 м. Дифракція навколо сферичної поверхні Землі практично не спостерігається. Мала довжина хвилі (висока частота) приводить до того, що електронній концентрації навіть в найбільш іонізованому шарі іоносфери F 2 недостатньо для віддзеркалення MХ. Отже, поверхневих і просторових хвиль в цьому діапазоні немає. Розповсюдження енергії здійснюється за рахунок тропосферної хвилі, в межах прямої видимості. Під дальністю прямої видимості розуміють відстань між приймальнею і передавальною антенами, якщо пряма, що їх з'єднує, торкаючі до поверхні Землі. Дальність розповсюдження на відстань прямої видимості, км.:

.

де h_ПРД, h_ПРМ, — висота підвісу передавальної і приймальної антен, м.

Поле в точці прийому тропосферної хвилі характеризується високою стабільністю як по амплітуді, так і по фазі, малим рівнем індустріальних і атмосферних перешкод. Все це у поєднанні з можливістю використання широкосмугових видів модуляції, наприклад ЧМ, забезпечує високу завадостійкість, а отже, і висока якість прийому МХ.

Метрові хвилі можуть розповсюджуватися також за межі прямої видимості за рахунок розсіяння на неоднорідностях іоносферу, розташованих на висотах близько 100 км. Зв'язок можливий на відстані до 2000 км. Але при цьому розповсюдженні спостерігаються глибокі і швидкі завмирання, які значно погіршують якість прийому.

Оскільки MХ не відбиваються від іоносфери, вони можуть бути використані на лініях зв'язку типу Земля — Космос і навпаки. Проте достатньо велике ослаблення при проходженні MХ

через іоносферу, невисока спрямованість антен при прийнятних габаритах, неможливість розташування на космічному об'єкті передавача великої потужності привели до обмеженого використання MХ в системах космічного зв'язку.

Дециметрові, сантиметрові і міліметрові хвилі. Дециметрові хвилі (ДЦХ) використовуються в телебаченні, радіолокації, радіорелейному і космічному зв'язку. Приблизно таке ж призначення, за винятком використання в системах телевізійного віщання, мають хвилі сантиметрового (СМХ) і міліметрового (ММХ) діапазонів.

Хвилі цих діапазонів від іоносфери не відбиваються і в ній не розсіваються, практично не схильна дифракція, тому розповсюджуються як прямі, а також за рахунок тропосферної рефракції і розсіяння на неоднорідностях тропосфери.

Дециметрові хвилі практично не випробовують поглинання при розповсюдженні в тропосфері. У діапазоні СМХ значне ослаблення сигналів спостерігається, якщо на трасі розповсюдження йде дощ. Це явище починає позначатися для хвиль з см. Ще більше ослаблення вносить наявність туману для хвиль з см. Розповсюдження ММХ, окрім погодних умов, в значній мірі визначається так званим молекулярним поглинанням в газах, що входять до складу тропосфери, насамперед, у водяних парах і в кисні повітря. Цей тип поглинання пов'язаний з нагріванням речовини, іонізацією або збудженням атомів і молекул, фотохімічними процесами і так далі. Молекулярне поглинання носить резонансний характер, тобто залежить від частоти електромагнітної хвилі, що розповсюджується в тропосфері. У діапазоні ММХ є чотири області частот з відносно слабким поглинанням, так звані «вікна прозорості»: в області 8,6 мм (коефіцієнт поглинання дБ/км), 3 мм (дБ/км), 2 мм (дБ/км) і 1,2 мм (дБ/км). Природно, що і такі значення є великими. Так, на трасі завдовжки 50 км., а зазвичай на такій відстані розташовуються ретрансляційні станції в радіорелейному зв'язку, при дБ/км загальне ослаблення складе 35 дБ, тобто досить значну величину.

Сильне молекулярне поглинання і повне припинення зв'язку в ММХ діапазоні під час дощу і туману обмежують застосування хвиль цього діапазону в наземних лініях зв'язку.

З розгляду особливостей розповсюдження ДЦХ, СМХ і ММХ слідує, що всі вони можуть бути використані в системах космічного зв'язку. Проте на лініях Земля — Космос зазвичай використовують хвилі в діапазоні 4... 10 ГГц (7,5... 3 см), оскільки в цьому випадку мінімальне поглинання при розповсюдженні через іоносферу і відсутній цілий ряд небажаних ефектів

Дата добавления: 2014-01-04