Распространение радиоволн

Линии связи на основе радиоканала

ЛЕКЦИЯ 2

Существующие типы линий связи (ЛС) в зависимости от используемой среды распространения сигналов принято делить на проводные и линии в атмосфере (радиолинии). Начинают использоваться и беспроводные оптические линии связи.

К линиям связи предъявляются следующие основные требования:

· осуществление связи на требуемые расстояния;

· широкополосность и пригодность для передачи различных видов сообщений;

· защищенность цепей от взаимных влияний и внешних помех, а также от физических воздействий (атмосферных явлений, коррозии и пр.);

· стабильность параметров линии, устойчивость и надежность связи;

· экономичность системы связи в целом.

Рассмотрим особенности распространения электромагнитных колебаний различных диапазонов радиоволн.

Электромагнитные колебания, применяемые для целей связи без проводов подразделяются на радиоволны и оптические волны, характеризуются частотой колебаний и длиной волны и делятся на 9 диапазонов радиоволн и 3 диапазона оптических волн.

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На величину напряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов. Основные из них:

• отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;
• преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере);
• рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы (тропосфере);
• дифракция на сферической выпуклости Земли.

Кроме того напряженность поля в точке приема зависит от длины волны, освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов.

Классификация и способы распространения радиоволн приведены в табл. 2.1 и табл. 2. 2. Деление радиоволн на диапазоны установлено Международным регламентом радиосвязи МСЭ-Р.

Таблица 2.1 – Классификация диапазонов радиоволн

Вид радиоволн	Тип радиоволн	Диапазон радиоволн (длина волны)	Но-мер диа-пазо-на	Диапазон частот	Вид радиочастот
Мириаметровые	Сверхдлинные	10..100 км		3..30 кГц	Очень низкие (ОНЧ)
Километровые	Длинные	1..10 км		30..300 кГц	Низкие (НЧ)
Гектометровые	Средние	100..1000 м		300..3000 кГц	Средние (СЧ)
Декаметровые	Короткие	10..100 м		3..30 МГц	Высокие (ВЧ)
Метровые		1..10 м		30..300 МГц	Очень высокие (ОВЧ)
Дециметровые	Ультракорот-кие	10..100 см		300.3000 МГц	Ультравысокие (УВЧ)
Сантиметровые		1..10 см		3..30 ГГц	Сверхвысокие (СВЧ)
Миллиметровые		1..10 мм		30..300 ГГц	Крайне- высокие (КВЧ)
Децимиллиметро-вые		0.1..1 мм		300..3000 ГГц	Гипервысокие (ГВЧ)

Таблица 2.2 - Способы распространения радиоволн

Вид радиоволн	Основные способы распространения радиоволн	Дальность связи
Мириаметровые и километровые (сверхдлинные и длинные)	Дифракция Отражение от Земли и ионосферы	До тысячи км Тысячи км
Гектометровые (средние)	Дифракция Преломление в ионосфере	Сотни км Тысячи км
Декаметровые (короткие)	Преломление в ионосфере и отражение от Земли	Тысячи км
Метровые и более короткие	Свободное распространение и отражение от Земли Рассеяние в тропосфере	Десятки км   Сотни км

Частота колебаний связана с длиной волны соотношением:

f = c /λ, где f - частота, Гц; c = 3·10⁸ м/с - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве; λ - длина волны, м.

Из таблицы 2.1 видно, что длина волны в 5 диапазоне (длинные волны) исчисляется километрами, в 10-11 диапазонах (диапазоны СВЧ) - сантиметрами и миллиметрами. В оптических диапазонах длины волн исчисляются микрометрами.

Длина волны определяет специфику распространения электромагнитной энергии в условиях Земли. Вспомним, что дифракция радиоволн, явления, возникающие при встрече радиоволн с препятствиями. Радиоволна, встречая при распространении в однородной среде препятствие, изменяется по амплитуде и фазе и проникает в область тени, отклоняясь от прямолинейного пути. В реальных случаях распространения радиоволн препятствия могут иметь произвольную форму и быть как непрозрачными, так и полупрозрачными для радиоволн.

Волны каждого из диапазонов имеют свои особенности распространения, но на границах диапазонов не существует резких изменений этих особенностей.

В свободном пространстве радиоволны распространяются прямолинейно и не испытывают поглощения. Потери при распространении электромагнитных колебаний в свободном пространстве объясняются уменьшением плотности мощности излучения при увеличении расстояния и могут быть найдены по следующей формуле

L₀ = 20 lg (4.189 ·10⁴ R₀ · f), дБ,

где R₀ - расстояние, км, f - частота, ГГц.

В радиолиниях связи (радиоканалах) средой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли. На рис. 2.1 приведено упрощенное строение атмосферы Земли. Реально строение атмосферы более сложно и приведенное деление на тропосферу, стратосферу и ионосферу достаточно условно. Высота слоев приведена приблизительно и различна для разных географических точек Земли. В тропосфере сосредоточено около 80% массы атмосферы и около 20% - в стратосфере. Плотность атмосферы в ионосфере крайне мала, граница между ионосферой и космическим пространством является условным понятием, так как следы атмосферы встречаются даже на высотах более 400 км. Считается, что плотные слои атмосферы заканчиваются на высоте около 120 км.

Влияние среды на распространение электромагнитных волн проявляется в изменении (большей частью уменьшении) амплитуды поля волны, изменении скорости и направления распространения волны, в повороте плоскости поляризации[1] и в искажении передаваемых сигналов.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) от поверхности Земли, будем называть земными, поверхностными радиоволнами (рис. 2.2).

Рисунок 2.1 - Строение атмосферы Земли

Условия распространения радиоволн по естественным трассам вблизи Земли определяются многими факторами: влиянием земной поверхности и различных препятствий, наличием атмосферы, поглощением электромагнитной энергии в гидрометеорах (дожде, снеге, тумане, смоге и пр.). Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн, являясь полупроводящей средой, поглощающей энергию.

Рисунок 2.2 - Земные, поверхностные радиоволны

В окружающей земной шар атмосфере различают две области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу и ионосферу.

Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности, кроме того, ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий.

Распространение тропосферных волн связано с рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной среде, а также с рассеянием и отражением радиоволн от различных неоднородностей.

В ионосфере плотность газа весьма мала и газ ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов. Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы. Путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны распространяются на очень большие расстояния (например, короткие волны могут несколько раз огибать земной шар). Ионосфера является неоднородной средой, и радиоволны рассеиваются в ней, что также обусловливает возможность распространения радиоволн на большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, будем называть ионосферными, пространственными волнами.

За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшаются и на расстоянии, равном 3—4,5 радиусам земного шара, атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован, плотность протонов равна плотности электронов и составляет всего 2—20 эл/см³. Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве. Таким образом, оказывается возможным рассматривать раздельно влияние на распространение радиоволн земной поверхности, тропосферы, ионосферы и космического пространства.

Кривизна земной поверхности, неровности рельефа местности и различные искусственные преграды также сильно влияют на распространение электромагнитных волн. В случае соизмеримости длины волны и размеров препятствий волны могут огибать их. К примеру, радиоволны 4 - 5 диапазонов (длинные и сверхдлинные волны) обладают способностью огибать поверхность Земли и могут распространяться на расстояния в несколько тысяч километров поверхностными лучами (рис. 2.3).

Качество связи мало зависит от сезонов или времени суток. Однако каналы связи в этих диапазонах обладают очень узкой полосой пропускания и могут обеспечивать передачу ограниченного объема радиовещательных, телефонных, телеграфных и фототелеграфных сообщений.

Длинные и особенно сверхдлинные волны мало поглощаются при прохождении в толще суши или моря. Так, волны длиной 20—30 км могут проникать в глубину моря на несколько десятков метров и, следовательно, могут использоваться для связи с погруженными подводными лодками, а также для подземной радиосвязи.

Рисунок 2.3 – Сверхдлинные и длинные волны, огибающие поверхность Земли

В 6 диапазоне (средние волны) поверхностный луч претерпевает более сильные поглощения и может распространяться на расстояние 500-1500 километров. Однако, при увеличении плотности ионосферы (в ночные часы) в диапазоне средних волн возможно распространение сигналов пространственным лучом, который может обеспечить связь на расстояние в несколько тысяч километров (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 – Распространение гектометровых, средних волн (6 диапазон)

Радиоволны 7 диапазона (короткие волны) поверхностными лучами распространяются на небольшие расстояния из-за поглощения энергии поверхностью Земли (рис. 2.5). Однако пространственные волны могут многократно отражаться от ионосферы и земной поверхности проходить очень значительные расстояния, вплоть до глобальных, обеспечивая передачу сигналов радиовещания, радиотелефонии и радиотелеграфии.

Рисунок 2.5 – Распространение коротких волн

Распространение волн таким способом довольно неустойчиво и подвержено сильным замираниям как медленным (в течение года, сезона, времени суток и пр.), так и быстрым, с периодом в доли и единицы секунд. Медленные замирания объясняются изменениями состояния ионосферы, а быстрые - взаимодействием множества лучей, которые могут попадать в точки приема.

В общем случае короткие волны лучше распространяются ночью и, иногда, способны, последовательно отражаясь от ионосферы и поверхности земли, огибать земной шар.

Радиоволны 8-12 диапазонов (рис. 2.6) позволяют передавать значительно более объемную информацию, включая телевизионные сигналы, сигналы многоканальной телефонии, высокоскоростные цифровые потоки.

Однако пространственные волны этих диапазонов проходят через ионосферу в космическое пространство и для целей наземной связи почти не пригодны, а поверхностные волны распространяются почти прямолинейно, практически не огибая земную поверхность.

Рисунок 2.6 – Распространение сверхкоротких волн

Поэтому они устойчиво проходят только на расстояние прямой видимости между антеннами передающего и приемного оборудования. Это расстояние составляет десятки километров (при реальной высоте подвеса антенн в несколько десятков метров) и для передачи сигналов на большие расстояния приходиться строить цепочки ретрансляторов, образующих радиорелейные линии (РРЛ).

Важным способом передачи сигналов этих диапазонов на большие расстояния является использование для ретрансляции связных спутников. Спутниковые системы позволяют передавать информацию на десятки тысяч километров и перекрывать большие площади на поверхности Земли, вплоть до организации глобальных систем связи.

Возможна также передача сигналов 8 - 9 диапазонов на большие расстояния (значительно превышающие прямую видимость) за счет рассеяния электромагнитной энергии в неоднородностях тропосферы. Этот принцип используется в тропосферных радиолиниях связи (ТРЛ).

С увеличением частоты (больше 10 ГГц) радиоволны ослабляются в газах атмосферы и, особенно сильно - в дожде, снеге, граде. Поэтому в этих диапазонах устойчивое распространение электромагнитных волн возможно на расстоянии меньшем, чем расстояние прямой видимости.

В оптических диапазонах волн можно передавать гигантские объемы информации. В основном для целей связи применяется 3 диапазон оптических волн (инфракрасные волны). При распространении в открытом пространстве они подвержены большим ослаблениям в атмосфере и, практически, обеспечивают связь на расстояние до 4-5 км, однако при использовании таких систем связи нет необходимости получать какие-либо разрешения от инспекций по электросвязи.

Полное ослабление света в атмосфере обусловлено несколькими факторами. Различают ослабление света в атмосфере, свободной от облаков и тумана, и ослабление света в тумане. Первый вид ослабления складывается из рассеяния света на молекулах газа и водяного пара и селективного поглощения. Селективное поглощение в газах и водяных парах атмосферы объясняется взаимодействием их электронной, колебательной и вращательной энергий с электромагнитными колебаниями определенной частоты. Основное поглощающее действие оказывает водяной пар, поскольку его содержание намного превышает содержание углекислого газа и озона. Прозрачность атмосферы для инфракрасных лучей сильно зависит от влажности атмосферы. Измерения показали, что сравнительно хорошей прозрачностью для инфракрасных волн атмосфера обладает на следующих диапазонах: 0,95—1,05; 1,2—1,3; 1,5—1,8; 2,1—2,4; 3,3—4,0; 8,0—11,0 мкм.

Для передачи на большие расстояния применяются закрытые оптические системы, в которых свет распространяется по стеклянным волокнам. К достоинствам волоконно-оптических систем связи (ВОЛС) можно отнести возможность передачи чрезвычайно больших объемов информации, не достижимых для других структур. Достигнуты скорости передачи цифровых сигналов в волоконно-оптических системах связи более 1 терабита в секунду!

Излучение и прием электромагнитных волн осуществляется при помощи антенн. Антенны характеризуются многими параметрами, главными из которых являются рабочие частоты, их ширина и направленные свойства излучения и приема. Более подробно об антенных системах мы поговорим на практических занятиях.

Направленные свойства или способность антенны принимать или передавать сигналы в заданном направлении зависят от соотношения между длиной волны и геометрическими размерами элементов антенн. Чем больше размеры антенны по сравнению с длиной волны электромагнитных колебаний, тем лучше направленные свойства антенны.

Одна из простых антенн - симметричный вибратор, который эффективно работает при условии, что его длина равна половине длины волны λ / 2. Для улучшения направленных свойств антенн применяются дополнительные структуры, образующие антенну под названием «волновой канал», получившую широкое распространение для приема телевизионных сигналов.

В диапазонах 9-12, в основном, применяются различные модификации параболических антенн.

Антенны оптических диапазонов представляют собой линзовые и зеркальные системы.

Радиолинии используют в тех случаях, когда возникают трудности прокладки проводных линий связи. Принципиальное отличие радиосистем передачи информации заключается в том, что условия распространения радиоволн в радиолинии нестационарны, т.е. подвержены непрерывным случайным изменениям, зависящим от времени и частоты. Однако передача с помощью радиоволн в некоторых случаях является единственным методом связи (например, связь с подвижными объектами). При этом применяются различные системы радиосвязи: радиорелейные прямой видимости и тропосферные, спутниковые, на декаметровых волнах, ионосферные и пр.

Типичный вид построения радиолинии (радиоканала) показан на рис. 2.7.

Рисунок 2.7 - Типичный вид радиолинии

Для обеспечения односторонней радиосвязи (рис.2. 8) в пункте, из которого ведется передача сигналов, размещают радиопередающее устройство, содержащее радиопередатчик РПер и передающую антенну А_ПЕР, а в пункте, в котором ведется прием сигналов - радиоприемное устройство, содержащее приемную антенну А_ПР и радиоприемник РПр. Антенны подключаются к приемопередающему оборудованию при помощи фидерных трактов Ф. Для двухстороннего обмена сигналами нужно иметь два комплекта такого оборудования. Двухсторонняя радиосвязь может быть симплексной или дуплексной. При симплексной радиосвязи передача и прием ведутся поочередно. Радиопередатчики в конечных пунктах в этом случае могут работать на одинаковой частоте, на эту же частоту настроены и радиоприемники. Радиопередатчик включается только на время передачи.

Рисунок 2.8 - Структура системы радиосвязи

При дуплексной радиосвязи передача осуществляется одновременно с приемом. Для такой связи должны быть выделены две разные частоты для передачи в разных направлениях. Радиопередатчики и радиоприемники абонентов включены в течение всего сеанса связи.

Дата добавления: 2014-01-03