Распространение радиоволн на наземных радиолиниях, особенности распространения в городских условиях

ЛЕКЦИЯ № 11 РРиАФУ

Распространение радиоволн вдоль земной поверхности существенно

зависит от её рельефа и физических свойств. Атмосфера также оказывает влияние на передачу и прием сигналов земными радиостанциями, зависящее от целого ряда природных явлений. Эти зависимости проявляются, в разной форме и степени при разных длинах волн.

Поскольку радиоволны имеют ту же физическую природу, как и свет,

распространение их подчинено общим для этих излучений закономерностям:

- в однородной среде волны распространяются прямолинейно;

- в средах с неоднородными свойствами происходит рефракция, т. е.

отклонение траектории от прямой;

- на границах однородных сред с разными свойствами наблюдаются

преломление и отражение волн;

- если на пути распространения встречаются препятствия, непроницаемые для волн, то наблюдается дифракция: огибание препятствий; - в средах с пониженной прозрачностью, например из-за содержания в них частиц пыли или воды, происходит частичное поглощение волн.

Основными свойствами земной поверхности, оказывающими влияние

на распространение над ней электромагнитных волн, помимо её рельефа,

являются её электрические параметры: электропроводность и диэлектрическая проницаемость. Влияние неровностей поверхности оказывается значительным, если их размеры сравнимы с длиной волны и превышают её. Например, горы влияют на распространение волн практически всех диапазонов, используемых в радиосвязи, тогда как волнение морской поверхности проявляется при распространении над ней волн, длина которых составляет метры или меньше, т. е. волн диапазонов ОВЧ, УВЧ и более коротких.

От электропроводности почвы зависят потери в ней энергии волн.

Если бы верхний слой её был идеально проводящим или был идеальным диэлектриком, то прохождение волн не было бы связано с потерями. В реальных условиях электромагнитные поля индуктируют в почве токи, и при их протекании выделяется тепло. Следовательно, электромагнитная энергия волн, падающих на землю или распространяющихся вдоль неё, частично поглощается.

Волны, излучаемые горизонтально и распространяющиеся вдоль земной поверхности в нижнем слое атмосферы, называются поверхностными. Они испытывают поглощение землей и различными

местными предметами, которое тем больше, чем выше частота. В зависимости от частоты эти волны в большей или меньшей степени огибают

кривизну земного шара.

Волны, излучаемые наклонно под различными углами к поверхности земли, называются пространственными. Они поглощаются в слабо ионизированной атмосфере незначительно и доходят до ионосферы, в которой происходит их преломление. Так как в слоях ионосферы ионизация и диэлектрическая проницаемость изменяются постепенно, то путь радиоволны представляет собой плавную кривую. Чем длиннее волна и чем сильнее ионизация, тем больше искривляет путь волна. На рисунке 11 показаны слои Е и F2, наблюдаемые ночью.

Рисунок 1 - Пути радиоволн в атмосфере

Луч 1, соответствующий не слишком короткой волне, сильно преломляется в слое Е и возвращается на поверхность земли. Принято

говорить, что луч 1 отражается слоем Е. Лучи 2 и 3, соответствующие более

коротким волнам, проходят слой Е насквозь, так как его ионизация недостаточна для того, чтобы возвратить их. Ионизация слоя F2 не-достаточна, чтобы вернуть на землю луч 3. Причина этого либо в том, что

волна 3 очень коротка, либо в том, что луч 3 входит в слой F2 почти под прямым углом и, проходя до середины слоя, где ионизация максимальна, не поворачивает настолько, чтобы вернуться на поверхность земли. Такой луч уходит в межпланетное пространство и для земной радиосвязи является потерянным. Точка возвращения на землю луча 2 отстоит от передатчика значительно дальше, чем луча 1.

В ионизированных слоях волны испытывают и поглощение, которое

возрастает при уменьшении частоты. Так как высота и степень ионизации слоев ионосферы меняются, то пути пространственных волн в атмосфере тоже меняются. Этим объясняется значительное изменение слышимости радиостанций в течение суток и в течение года, а также явление замирания сигналов. Причина замирания большей частью заключается в том, что в приемную антенну приходят радиоволны от одного и того же передатчика несколькими путями различной длины. Например, в пункт А (рисунок 1) попадают поверхностная волна и пространственная волна, отраженная слоем Е. Благодаря изменениям, происходящим в ионосфере, длина пути пространственных лучей все время меняется и поэтому меняются их фазы. В результате сложения (интерференции) волн наблюдаются непрерывные колебания слышимости, которые достигают то максимума, когда фазы волн совпадают, то минимума, если фазы противоположны. Бороться с замиранием довольно трудно. Наиболее эффективным средством является прием на 2—3 антенны, находящиеся на расстоянии 200—300 м друг от друга. Антенны соединяются линиями с приемником, имеющим отдельные усилители высокой частоты и детекторы для каждой антенны, но общий усилитель низкой частоты. Этот метод основан на том, что замирание не происходит одновременно в разных местах. В то время, как в одной антенне сигналы замирают, в другой антенне, наоборот, получается усиление, и, таким образом, слышимость в приемнике мало изменяется. Некоторое уменьшение колебаний слышимости дают также автоматические регуляторы усиления.

Волны с длинами от 1 до 10 км, соответствующие диапазону НЧ, а

также и ещё более длинные волны, превышают размеры большей части

неровностей почвы и препятствий, поэтому при их распространении заметно

проявляется дифракция. Благодаря дифракции волны огибают земную

поверхность, холмы и даже горные хребты. Поскольку, однако, обогнув

высокое препятствие, волны далее распространяются в свободном пространстве прямолинейно, возможно образование "мертвой зоны", в

пределах которой прием сигналов затруднен или невозможен. Эта ситуация схематически показана на рисунке 2.

Рисунок 12 - Образование «мертвой зоны»

Поверхностные волны индуцируют в почве ЭДС, создавая токи, которые преобразуются в тепло. В результате часть энергии волн поглощается. ЭДС индукции пропорциональна частоте колебаний, поэтому токи в земле, а соответственно и потери, возрастают с повышением частоты.

Напротив, с понижением частоты потери энергии волн уменьшаются. По этой причине волны диапазонов НЧ и ОНЧ при одинаковой мощности излучения способны распространяться на большие расстояния, чем более короткие. При значительной мощности радиопередатчиков (десятки киловатт) напряжённость поля поверхностных волн этих диапазонов достаточна для приема сигналов на расстояниях в тысячи километров.

Пространственные волны этих же диапазонов, если они распространяются в направлении ионосферы, отражаются ею и приходят на Землю на больших расстояниях. Такие пространственные (или небесные) волны, называемые в этом случае также ионосферными, позволяют осуществлять радиосвязь на столь же больших расстояниях.

Дата добавления: 2014-01-07