Затухание электромагнитных волн в стенах и окнах зданий

Лекция 12

Основной механизм распространения коротких волн. К диапазону KB (декаметровые волны) относят радиоволны с длиной волны от 100 до 10м. В отличие от более коротких волн, которые распространяются земной волной, декаметровые волны распространяются, в основном, путем отражении от ионосферы. Радиус действия земной волны в диапазоне коротких волн сравнительно невелик и при обычно используемых мощностях передатчиков не превышает нескольких десятков километров. Это обусловлено потерями в полупроводящей поверхности Земли и большими потерями в процессе дифракции вдоль Земли.

Но короткие волны могут распространяться на многие тысячи километров путем многократных последовательных отражений от ионосферы и Земли (рис.10.1), и для этого не требуются передатчики большой мощности.

Рис.10.1

Это уникальное свойство диапазона KB и используется для построения систем дальней связи. Кроме радиосвязи декаметровые волны широко используются для радиовещания, дальней (загоризонтной) радиолокации, исследования ионосферы и др. Однако ряд неблагоприятных особенностей распространения снижает эффективность использования этого диапазона. К таким особенностям следует отнести: многолучевость, сопровождающуюся глубокими замираниями; ограниченность неискаженной полосы передачи и скорости телеграфирования; подверженность влиянию ионосферных возмущений и др.

Рабочие частоты. Одной из основных особенностей KB радиолиний является ограничение рабочих частот, как со стороны высоких, так и низких значений, причем обе границы зависят от изменчивой структуры ионосферы, В результате на KB линиях, в отличие от линий других диапазонов, возникает необходимость периодической смены рабочих частот в соответствии с изменяющимся состоянием ионосферы. Верхняя граница рабочих частот определяется тем, что декаметровые волны, особенно коротковолновая часть этого диапазона (λ≤30 м), весьма критичны по условиям отражения от ионосферы. Максимальная частота, при которой отраженная от ионосферы волна может быть принята в заданном пункте приема, называется максимально применимой частотой (МПЧ). МЧП определяется как максимум произведения критической частоты (эквивалентной частоты вертикального падения) f_кр на секанс угла падения волны на слой ионосферы secφ₀. МПЧ = (f_кр secφ₀)_max.

В общем случае МПЧ зависит от длины трассы, высоты отражения, закона распределения электронной концентрации по высоте, критической частоты слоя. По условиям отражения от ионосферы рабочая частота f_p, на коротковолновых радиолиниях не должна превышать МИЧ, т.е. f_р ≤ МПЧ. Нижняя граница рабочих частот определяется тем, что с уменьшением частоты увеличивается поглощение в ионосфере (в освещенное время суток) и, как следствие этого, уменьшается напряженность поля. Кроме того, увеличивается число лучей, приходящих в пункт приема. Все это ведет к снижению устойчивости работы линии. Наименьшая частота при которой устойчивость работы снижается до минимально допустимого уровня, называется наименьшей применимой частотой (НПЧ). Значение НПЧ зависит от поглощения, уровня помех, мощности излучения, требуемой устойчивости работы и т.д. Расчет НПЧ сводится к определению методом последовательных приближений частоты, на которой устойчивость работы уменьшается до минимально допустимого уровня при заданных параметрах приемопередающей аппаратуры. Рабочая частота f_p выбирается так, чтобы удовлетворялось неравенство НПЧ ≤ f_р ≤ МПЧ. При изменении состояния ионосферы НПЧ и МПЧ изменяются. Для обеспечения непрерывного действия KB радиолинии необходима периодическая смена рабочих частот. Рабочая частота в значительной мере определяет структуру поля в точке приема. В частности, от степени близости рабочей частоты к МПЧ зависит соотношение между зеркально отраженной волной и волной, рассеянной на неоднородностях ионосферы. На частотах f_р < (0,8...0,9)МПЧ в структуре поля преобладает зеркальный компонент, в то время как по мере приближении рабочей частоты к МПЧ возрастает роль рассеянного компонента.

Модели распространения. Радиолинии KB диапазона характеризуются большим разнообразием условий распространения и весьма сложной и изменчивой структуры поля. Это обусловлено тем, что при непрерывно изменяющемся состоянии ионосферы рабочая частота некоторое время остается неизменной. В результате соотношение между f_р и МПЧ, которое определяет условия распространения, непрерывно меняется. Короткие волны могут приходить в точку приема по разным траекториям, испытывая разное число отражений от того или иного слоя ионосферы. Для различных типов траекторий вводят условные обозначения: 1E, 2E, 1F, 2F и т.д., в которых цифра перед названием слоя указывает на число отражений от него. Например, в случае, показанном на рис.10.2 и характерном для трасс протяженностью около 3000 км, в точке приема наблюдается три траектории: 2Е, 1F, 2F. Каждой траектории в зависимости от угла наклона и критических частот слоев ионосферы соответствует определенное значение максимальной применимой частоты: МПЧ_2Е, МПЧ_1F, МПЧ_2F. Наибольшее значение определяет МПЧ для всей трассы. Та или иная траектория наблюдается в точке приема, если для нее выполняется условие отражения, что возможно в том случае, когда рабочая частота не превышает соответствующей этой траектории МПЧ.

Рис.10.2

При увеличении частоты и приближении ее к МПЧ трассы условия отражения становятся все более критичными, число наблюдаемых траекторий (лучей) уменьшается и при f_p ≈ МПЧ имеет место однолучевой прием. Необходимо также учитывать, что по мере приближения f_p к МПЧ возрастает роль рассеянного компонента поля. Из многообразия возможных условий распространения коротких волн можно выделить некоторые типовые условия, называемые моделями распространения. Каждой модели соответствует определенная структура поля в точке приема, характеризуемая типом и числом траекторий, соотношением амплитуд сигналов, достигающих точки приема по разным траекториям, соотношением между уровнями зеркального и рассеянного компонентов поля. Особое значение придается многолучевости, поскольку большое время запаздывания, характерное для KB линий, существенно снижает показатели работы. В качестве примера рассмотрим модели распространения на средне-широтной трассе протяженностью 2000...3000 км (рис.10.2).

Модели 1 и 2 не содержат запаздывающих сигналов, но в модели 1, где f_p/МПЧ<0,9, преобладает зеркальный компонент 1F, а в модели 2, где f_p/МПЧ>0,9, преобладает рассеянный компонент той же траектории 1F. В модели 3, наблюдаемой при работе на более низкой частоте (f_p/МПЧ_2F≤1), в точке приема присутствуют два луча: 1F и 2F, но с несоизмеримыми амплитудами (U_2F≥3U_1F), поэтому запаздывающие сигналы практически отсутствуют. Модель 3 отличается от модели 1 тем, что преобладающим является поле второго луча 2F. Модели 4 и 5, наблюдаемые, когда f_p, далека от МПЧ трассы, характеризуются наличием запаздывающих сигналов с соизмеримыми амплитудами. Для модели 4 характерно одновременное существование траекторий 1F и 2F, а для модели 5-2E и 2F. Модель 6 не содержит запаздывающих сигналов, так как наблюдаемые траектории 2Е и 2F имеют несоизмеримые амплитуды (U_2Е ≥ 3U_2F). В точке приема доминирует волна, отраженная только от слоя Е ионосферы. Качественные признаки описанных моделей распространения сохраняются для трасс любой протяженности. В зависимости от длины трассы изменяются только типы траекторий, формирующих ту или иную модель. С точки зрения устойчивости связи наиболее неблагоприятными являются модели 4 и 5 с запаздывающими сигналами. Ясно, что существование той или иной модели зависит от рабочей частоты f_p и состояния ионосферы на данной трассе. При изменении f_p или параметров ионосферных слоев происходит смена моделей распространения. Поскольку состояние ионосферы подвержено не только регулярным, но и случайным изменениям, вероятность существования каждой из моделей можно определить только статистически. В табл.10.1 приведены данные о проценте времени существования однотипных моделей распространения на среднеширотных трассах различной протяженности. Они получены за интервал времени Наблюдений в один год при среднем уровне солнечной активности (W = 80). Рабочие частоты выбирались согласно волновому расписанию на каждой радиолинии.

Таблица 10.1 Процент времени существования однотипных моделей

Длина трассы, км	Процент времени существования однотипных моделей распространения

Из данных табл.10.1 следует, что относительное время существования однотипных моделей в значительной мере зависит от длины трассы, причем наиболее неблагоприятные модели 4 и 5 с запаздывающими сигналами гораздо чаще- наблюдаются на трассах протяженностью, отличной от 3000 км. Вероятность появления каждой из моделей зависит не только от длины трассы, но и от уровня солнечной активности, что позволяет на основе прогноза относительного числа солнечных пятен прогнозировать процент времени существования той или иной модели распространения.

Замирания и разнесенный прием. В диапазоне KB, как и в других диапазонах, прием всегда сопровождается непрерывным изменением уровня сигнала в точке приема во времени, т.е. замираниями. Замирания на КВ линиях имеют интерференционное и поляризационное происхождение, а также связаны с изменением поглощения в ионосфере и фокусировкой и дефокусировкой волн на ионосферных неоднородностях. Основными причинами интерференционных замираний являются: интерференция нескольких волн, претерпевших различное число отражении от ионосферы (рис.10.3,а); интерференция рассеянных компонент волны (рис.10.3,б); интерференция обыкновенной («О») и необыкновенной («Н») составляющих волны (рис.10.3,в). Поляризационные замирания наблюдаются как при приеме одного луча, так и при многолучевой структуре поля. В диапазоне KB интерференционные и поляризационные замирания обычно протекают как быстрые; медленные замирания приписывают процессам медленных изменений поглощения; замирания за счет изменения условий фокусировки лучей не имеют регулярного среднего периода.

На KB радиолиниях основные характеристики быстрых замираний (частота и глубина замираний, масштабы пространственной и частотной корреляций и др.) существенно изменяются даже в течение относительно коротких интервалов времени, т.е. быстрые флуктуации сигнала представляют нестационарный процесс. Это обусловлено сменой моделей распространения, от которых зависят статистические характеристики принимаемого сигнала. Так. при моделях 4 и 5 интерферируют сигналы, соизмеримые по амплитуде. При однолучевой модели 1 замирания вызываются интерференцией магнитоионных составляющих, из которых одна («н»-я) обычно сильно ослаблена. Во время существования модели 2, для которой характерен прием рассеянного поля, замирания обусловлены интерференцией большого числа элементарных рассеянных волн со случайным распределением фаз. На трассах разной протяженности преобладают модели разных типов, соответственно изменяются и типовые статистические характеристики замираний. Различные виды статистического распределения мгновенных значений уровня сигнала обусловливают существенно различное качество работы радиолиний.

Для примера, на рис.10.4 показаны зависимости вероятности ошибок р при приеме дискретной информации от наблюдаемого отношения сигнал-помеха U_c/U_п. Из рисунка видно, что в предположении отсутствия замираний для работы с вероятностью ошибок не более, например, 10^-3 достаточно обеспечить превышение уровня сигнала над уровнем помех всею на 6 дБ. В случае замираний, описываемых законом Рэлея, необходимое отношение сигнал/помеха возрастает до 30 дБ. При интерференции нескольких зеркально отраженных волн, когда вероятность низких значений поля увеличивается по сравнению с распределением Рэлея, заданное качество работы не может быть обеспечено даже при U_c/U_п =50 дБ.

Время запаздывания. Магистральные линии связи в диапазоне декаметровых волн используются в основном для передачи информации в дискретной форме (дискретный телефон, телеграф, фототелеграф, передача данных), т.е. работа ведется импульсными посылками определенной длительности. В результате влияния тракта распространения длительность импульса в точке приема отличается от исходной, т.е. имеют место временные искажения. Временные искажения импульсных посылок наиболее существенны в тех случаях, когда в точку приема приходит несколько волн с соизмеримыми амплитудами и значительным временем запаздывания (модели распространения 4 и 5).

Время запаздывания ∆t_max, для этих моделей изменяется в широких пределах зависимости от длины трассы, соотношения между рабочей частотой и МПЧ, времени суток, сезона, уровня солнечной активности. Расчеты показывают, что максимальные значения ∆t_max на трассах протяженностью 1500, 3000 и 4000 км могут достигать соответственно 2,8; 1,5; 2 мс. Если принять, что исправляющая способность аппаратуры равна 40 %, то минимально допустимые длительности импульсов должны быть в 2,5 раза больше указанных значений ∆t_max, т.е. составлять 7; 3,75 и 5 мс. Следовательно, скорость передачи дискретной информации на KB линиях связи протяженностью 1500, 3000 и 4000 км ограничены соответственно значениями 143, 267 и 200 бит/с. Отметим, что такие ограничения получаются при максимально возможных значениях времени запаздывания ∆t_max. При этом общая скорость работы достигает 1200 бит/с на трассах протяженностью около 3000 км и 600 бит/с на трассах длиной 1000-2000

и 3000…5000 км.

Влияние ионосферных возмущений. Существенное влияние на работу KB радиолиний оказывают ионосферные возмущения. В средних широтах наиболее опасными являются отрицательные возмещения, когда Критические частоты слоя F2 понижаются более чем на 20%. Это понижение f_кр^F2 сужает применимый диапазон рабочих частот, поскольку значения МПЧ приближаются к НПЧ. Кроме того, диффузность слоя F2 повышает глубину и скорость замираний сигнала за счет увеличения рассеяния. Непрохождение волн на среднеширотных радиолиниях при ионосферных возмущениях наблюдается обычно в тех случаях, которые и в отсутствие возмущений являются наиболее неблагоприятными для связи: ночные часы, часы вечерней и особенно утренней полутени, большая долготная протяженность трассы и др.

Основными мероприятиями по улучшению работы среднеширотных радиолиний в периоды ионосферных возмущений являются оперативная смена рабочих частот; повышение эффективности технических средств, в частности увеличение мощности передатчика до нескольких десятков киловатт вместо мощности несколько ватт, необходимой для работы в отсутствие возмущений; применение на радиолиниях большой протяжённости ретрансляции через пункты, расположенные в более южных широтах, где критические частоты, как правило, имеют меньшие отрицательные возмущения и длительность возмущенных периодов также меньше. Перечисленные выше мероприятия непригодны для борьбы с «вспышками» поглощения, так как они сопровождаются столь резким увеличением поглощения, что работа KB радиолинии оказывается вообще невозможной. На радиолиниях, проходящих в высоких широтах, в периоды сильного поглощения (зональное поглощение и поглощение в полярной шапке) прямая радиосвязь в диапазоне декаметровых волн не может быть обеспечена даже при применении высокоэффективных технических средств. Для поддержания связи в этих случаях рекомендуют применять ретрансляцию через пункты, расположенные; в средних и южных широтах, а также резервирование с помощью механизмов распространения, не подверженных влиянию ионосферных возмущений: тропосферного или ионосферного рассеяния.

Расчет KB радиотрассы. Углы наклона траектории ∆ и максимально применимые частоты на коротковолновых радиолиниях можно рассчитать, выбирая за основу экспериментальные данные вертикального зондирования ионосферы. Пересчет этих данных на наклонное падение достаточно сложен и обычно проводится с использованием ряда приближений. В простейшем случае, когда пренебрегают сферичностью ионосферы и влиянием магнитного поля Земли, для пересчета используют закон секанса. На частотах, обычно применяемых на среднеширотных радиолиниях, такие значения h_Д, для действующих высот отражения слоя F2 могут быть приняты:

· зима, день – 250 км; зима, ночь – 350 км; лето, день – 400 км; лето, ночь – 250 км.

Максимально применимые частоты рассчитывают для каждого слоя ионосферы и наибольшее значение из них определяет МПЧ трассы. На протяженных радиолиниях, когда волна приходит в точку приема за счет нескольких отражений от ионосферы, МПЧ определяют для каждой области отражения и наименьшая из этих частот является МПЧ всей трассы в целом.

Расчет напряженности поля. Ослабление поля на KB радиолиниях вызвано расходимостью волны, поглощением в ионосфере, отражением от поверхности Земли и другими причинами. Одним из основных методов расчета напряженности поля является метод, предложенный А.Н. Казанцевым. Наибольшую точность этот метод обеспечивает при расчете трасс, проходящих в средних широтах. В соответствии с указанным методом действующее значение напряженности поля в точке приема

.

Поясним структуру этой формулы. Первый множитель соответствует полю в свободном пространстве. Здесь Р₁ - мощность, подводимая к передающей антенне; G₁(∆)—коэффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя с учетом влияния Земли, т.е.

G₁(∆) = G₁maxF²(∆),

где F(∆) - нормированная ДН передающей антенны в вертикальной плоскости с учетом влияния Земли; ∆ – угол возвышения траектории волны; r_в – путь, проходимый волной от точки передачи до точки приема. Второй множитель (0,5) соответствует, уменьшению поля (или мощности) на 6дБ. Из них 3 дБ А.Н.Казанцев относит за счет того, что приемная антенна имеет линейную поляризацию, а волна в процессе отражения от ионосферы приобретает эллиптическую (а иногда и круговую) поляризацию. Другие 3 дБ обусловлены тем, что волна в ионосфере расщепляется на обыкновенную и необыкновенную; необыкновенная составляющая сильно поглощается, а для приема оказывается полезной только половина излученной мощности. Третий множитель (1+R)/2 учитывает влияние отраженной от Земли волны в месте расположения приемной антенны. Обычно выбирают среднее значение R порядка 0,8. Четвертый множитель R_n-1 учитывает дополнительные потери при отражении от поверхности Земли в промежуточных точках в случае многоскачкового распространения. Здесь n - число отражений от ионосферы. На односкачковых линиях (с одним отражением от ионосферы) n = 1 и R^n-1 = 1. Наконец, пятый множитель ехр(-Г_и) учитывает поглощение в ионосфере. Полный интегральный коэффициент поглощения Г_и определяется как сумма поглощения в тех слоях ионосферы, которые волна проходит (неотклоняющее поглощение), и поглощения в отражающем слое ионосферы (отклоняющее поглощение). В случае, когда в ионосфере существуют все регулярные слои и отражение происходит от слоя F2. полный коэффициент поглощения

Г_и = А_∑/(f_p+F_L)² + B_F2f_p²

Первое слагаемое определяет неотклоняющее поглощение. Здесь A_∑ - коэффициент, зависящий от критической частоты слоя Е ионосферы (как мера электронной плотности во всех слоях) и длины трассы (рис.10.6); рабочая частота f_p и частота продольного гиромагнитного резонанса f_L выражены в мегагерцах (f_L = 0,8 МГц).

Влияние условий распространения на работу радиовещания. Декаметровые волны имеют ограниченное применение для вещания из-за большой загруженности этого диапазона, высокого уровня помех станций и относительно низкого качества приема. Наиболее типично применение KB диапазона.для вещания на труднодоступные удаленные районы, когда системы, работающие из более коротких (УКВ) или более длинных (СВ, ДВ) волнах, оказываются непригодными из-за ограниченного радиуса действия. Вещание на декаметровых волнах предусматривает обслуживание заданной территории с помощью ионосферных волн. Волновое расписание для вещания составляется с учетом условий распространения в течение целого сезона. В результате во многих случаях работа ведется на частотах далеких от ОРЧ, что снижает уровень сигнала и качество приема. Зона обслуживания вещательного передатчика имеет границы, которые при учете помех только природного происхождения определяются минимально-допустимой напряженностью поля f_min = 50 дБ.

Для диапазона KB характерно наличие мертвой зоны, в пределах которой регулярный прием невозможен, так как радиус действия земной волны обычно меньше, чем наименьшее расстояние, перекрываемое по Земле ионосферной волной. Внутренний радиус этой зоны устанавливают путем расчета напряженности поля земной волны. Рассчитывая напряженность поля на разных расстояниях от передающей антенны, определяют то расстояние, при котором уровень поля равен минимально допустимому значению. Внешний радиус устанавливается по критическому углу падения волны на ионосферу. Если в первом приближении отражающий слой ионосферы считать достаточно тонким, то внешний радиус мертвой зоны можно оценить по приближенной формуле

.

Из формулы видно, что на частоте f_p = f_кр внешний радиус мертвой зоны равен нулю. С возрастанием частоты радиус г_мз увеличивается, достигая максимального значения на частоте f_р равной МПЧ.

Волновое расписание. Количественная оценка крайних частот рабочего диапазона (МПЧ и НПЧ) обычно производится на основе проектных материалов. Верхняя граница рабочего диапазона определяется с помощью часовых медианных значений МПЧ. Однако, работая на частоте, равной месячной медианной МПЧ данного часа суток, можно в этот час получить отражение волны от ионосферы примерно лишь в 50% дней данного месяца из-за флуктуации критических частот и высот слоев от дня ко дню. Частота, обеспечивающая связь по условиям отражения в течение 90% времени за месяц, называется оптимальной рабочей частотой (ОРЧ) и является верхним пределом рабочего диапазона частот при составлении волнового расписания. Статистическая обработка наблюдений показала, что при спокойном состоянии ионосферы ОРЧ должна быть ниже месячной медианной МПЧ слоя F2 на 10...20%. Однако флуктуации слоя F2 не всегда одинаковы: они изменяются от дня к ночи и зависят от географического положения точки наблюдения. Поэтому более точно расчет ОРЧ ведут по данным о флуктуациях МПЧ и специальным номограммам, приводимым в месячном прогнозе распространения радиоволн. Такие уточнения наиболее важны для радиолиний, проходящих и полярных областях, где флуктуации особенно велики и ОРЧ может быть ниже МПЧ на 40%

Для каждой радиолинии согласно международным правилам выделяется ряд фиксированных частот. Для протяженных магистральных линий число таких частот достигает не более четырех-пяти, а для менее ответственных линий – двух…трех.

На каждый месяц составляется волновое расписание, которое устанавливает, на каких из выделенных частот следует работать в различные часы суток. Для этого по данным прогноза рассчитываются и строятся зависимости ОРЧ и НПЧ от времени суток

Дата добавления: 2014-01-07