Погода в Санкт-Петербурге | Pogoda78.ru

Радиоволны. Свойства атмосферы и почв и их влияние на распространение радиоволн

Радиоволны. Свойства атмосферы и почв и их влияние на распространение радиоволн.

Распростр.радиоволн в зем.простр. завис.от св-тв поверх.земли и атмосферы. Распростр. радиоволн вдоль поверх.земли завис.от рельефа местности, электри­ческих параметров зем. поверх. и длины волны. Радиоволнам свойст. дифракция – явление оги­бания препятствий. Наиб.сильно дифракция сказыв. когда геометрич.размеры препятствий соизмеримы с дли­ной волны. Радиоволны, распростр-ся у поверх.земли и частично за счет дифракции огибающие выпуклость земного шара, назыв. земными, или поверх.радиоволнами.

Атмосфера земли не явл.однород.средой. Давление, плотность, влажность и др.па­раметры в разных объемах воздуш.слоя имеют различ.знач., поэт.скорости распростр.в различ.объе­мах неодинак.и зависят от длины волны. Траектория радиоволн в атмосфере искривляется. Явление искривл.или преломл.волн при распростр.их в неоднород.среде назыв. рефракцией.Радиоволны, распростр-ся на большой высо­те в атмосфере и возвращ-ся на землю из-за искривл.траектории, рассеяния или отражения от атмосфер.неоднородностей, назыв. пространст.,или ионосфер. В т.приема может приход. пространст. и зем.волна от одного и того же источника. При совпадении фаз колебаний этих волн амплитуда суммарного поля ↑, а при сдвиге фазы волн на 180° суммарное поле ослабл.и может стать =0. Это явление назыв. интерференцией.

Воздух не вызыв.ослабл.радиоволн почти во всех диапаз.частот. Тем не менее зем.волна распростр.без поглощ. если проходит высоко над поверх.земли. Если же радиоволны проходят вблизи от поверх.земли, то часть энергии волны отклон.в землю. Скорость распростр.радиоволн в земле меньше, чем в воздухе, и при движ.их вдоль ее поверх. нижний край волны отстает от верхнего, фронт волны наклон.и помимо движ.вдоль поверх.земли происх.ее распростр.сверху вниз.

Если бы зем.поверх. была идеально проводящей, радио­волны отраж.бы от нее без потерь и не проход.в глубь почвы. Но это не так. Радиоволны, попавшие в землю, возбуж­д.в ней переменные эл.токи, которые часть своей энергии расход.на нагрев почвы. Величина потерь энергии завис.от частоты радиоволн и сопротивления поч­вы эл.току. В почве с ↑ частоты радиоволн величина индуцируемой электродвижущей силы ↑ и ↑ токи в земле, которые созд. эл.маг.поле обрат­ного направления. Поэтому дальность распростр.поверх.радиоволн быстро ↓ с ↑ частоты. При ↓ проводимости грунта радиоволны глубже прони­к.в среду и ↑ их поглощение. С ↑ частоты ухудш.усл.огибания (дифракции) радиоволнами препятствий. Все эти факторы огранич.возможности исполь­з.поверх.волны диапазонами мириаметр., километр., гектометр. и частично декаметр.волн.

Атмосфера подразд.на 3 основ.слоя: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Под влиянием различ.факто­ров воздух ионизируется и оказыв.сильное влиян.на распро­стр. радиоволн.

Ионосферасост.из неск.слоев. На высоте 60-80км наход.с.D, сущест.только днем. С.Е располаг.на высоте 90-130км. С.F имеет ночью вы­соту 250-350км, а днем раздел.на 2 слоя: F1 – на высоте 180-220км и F2 – на высоте 220-500км. Высота, толщина и проводимость ионизиров-х слоев различны в разное время суток и года из-за измен-я ионизирующ. действия солнеч.лучей. Чем больше ионизир.действие солнеч.лучей, тем больше проводимость и толщина ионизиров-х слоев и тем ниже они располагаются. Днем проводимость и тол­щина их больше, а высота над землей меньше, чем ночью. Летом проводимость и толщина ионосфер.слоев больше, а высота меньше, чем зимой. Ч/з каждые 11 лет на Солнце повторяется max солнечных пятен, явл-хся мощными источник. ио­низирующих излучений. В это время проводимость и толщина иони­зиров-х слоев достиг.max, и они располаг.ниже. Радиоволны, попадая в ионосферу, измен.свое направл. Происходит это из-за неоднород. характера ионосферы. В ио­носфере имеют.свобод.электроны и ее относительная диэлек­трич. проницаемость < диэл.прониц. неионизиров.воздуха. Из-за этого при переходе из воз­духа в ионосферу происх.преломл.волны, а т.к. кон­центрация электронов в верхних слоях ионосферы ↑, то волна, многократно преломляясь, возвращ.на землю. Кроме этого в ио­носфере происх.поглощ.энергии радиоволн. Радиоволны, попадая в ионосферу, вызыв.колебания находя­щ.там свобод.электронов. Совершая колебат.движе­ние, электроны сталкив.с тяжелыми частицами – ионами и мо­лекулами. При этом они теряют энергию, приобрет.от радио­волны, и передают ее этим частицам; ионосфера нагревается. Таким образом, часть энергии радиоволны в ионосфере теряется. Чем ↑ частота радиоволн, тем меньше скорость колебат.движения электронов. Кинетическая энергия, получаемая ими от ра­диоволны и отдаваемая затем тяжелым частицам, оказывается меньше. Поэтому с ↑ частоты потери энергии радиоволны в ионосфере ↓.

Основные понятия по передаче информации

Средой распространения радиоволн может быть как естественная трасса, так и искусственная. Естественной трассой является земная поверхность, атмосфера или космическое пространство. Такая среда не поддается управлению, что весьма важно для организации радиосвязи. Пути распространения радиоволн по естественным трассам имеют вид:

Радиоволны (1) распространяются в непосредственной близости Земли называют земными. Наиболее заметное влияние на распространение радиоволн в атмосфере оказывают тропосфера и ионосфера. Распространение тропосферных волн (2) в тропосфере происходит вследствие рассеяния и отражения от неоднородностей тропосферы радиоволны (3) распространяются путем отражения от ионосферы, или рассеяния в ней называют ионосферными. Радиоволны 4,5 используются для радиолиний Земля-космос, космос-космос и не имеют специального названия. В свободном пространстве радиоволна обладает поперечной структурой, т.е. входящие в ее состав взаимосвязанные электрическое и магнитные поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения. На рис.13 вектор E характеризует в некоторый момент времени направление электрического поля волны, вектор H-магнитного поля, вектор П-направление распространения э.м волны. Расположение вектора Е в пространстве характеризует поляризацию радиоволны. В зависимости от изменения направления вектора поляризация может быть линейной, круговой, эллиптической. При линейной поляризации вектор Е в процессе распространения остается параллельным самому себе, периодически меняясь по величине и направлению. Математический закон изменения вектора при условии, что в прямоугольной системе координат он изменяется в плоскости проходящей через ось Z, можно записать: Ez=Emcos(?t-kz) (1) или в комплексной форме: Ez=Em*(e**j)*cos(?t-kz) (2), где ?=2πƒ-κруговая частота, k=2π/λ – пространственная частота или волновой коэффициент. В общем случае величина k имеет смысл вектора и характеризует направление распространения волны. Закон изменения вектора H записывается аналогично в силу того, что только при этом условии возможно распространение радиоволн. В случае распространения линейно поляризованной волны вблизи раздела 2х сред различают вертикальную поляризацию если вектор E лежит в плоскости падения волны и горизонтальную, если вектор E параллелен границе раздела. Понятие поляризации относительное, в общем случае рассматривают волну поляризованную произвольно относительно границ раздела. В этом случае вектор Е раскладывают на две составляющие, одна из которых будет соответствовать вертикальной поляризации, а вторая – горизонтальной. При круговой поляризации вектор Е оставаясь постоянным по величине, вращается таким образом, что его конец описывает окружность. При эллиптической поляризации вектор Е меняется во времени по направлению и величине что его конец описывает эллипс.

Поляризация радиоволн определяется типом передающей антенны и физическими свойствами среды, в которой происходит распространение радиоволн. Только в космическом пространстве радиоволны распространяются как в свободном пространстве. В ином случае условие распространения определяется электрическими свойствами Земли и атмосферы, а также рельефом местности. Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение земных радиоволн. Ее элементарные свойства характеризуются в основном двумя параметрами: диэлектрической проницаемостью ? и проводимостью ?. Для земной поверхности однородной по глубине характерно постоянство параметров ? и ? во всем диапазоне радиоволн длиннее метровых. На дм и более коротких волнах ? уменьшается, а ? увеличивается с увеличением частоты. Наибольшее значение ? и ? имеют жидкие среды, а сухая почва, лед, снег, растительность имеют относительно малые значения ? и ?. Поэтому в зависимости от частоты радиоволн свойства земной поверхности меняются. Например для см диапазона морская вода считается диэлектриком, а влажная почва может рассматриваться как диэлектрик для метровых и более коротких волн. Параметры ε и γ определяют степень поглощения энергии радиоволны при распространении над земной поверхностью количественно потери энергии описываются коэффициентом поглощения α≈6πγ/√(ε). (3)

Физические потери обусловлены переходом энергии радиоволны в тепловую энергию движения молекул среды распространения. При распространении радиоволны в морской воде и влажной почве на низких частотах с повышением частоты коэффициент поглощения возрастает, на высоких частотах он перестает изменяться, как это имеет место в диэлектрике. Если э.м. волна падает на гладкую поверхность Земли, то она частично отражается от границы раздела сред и частично переходит в глубь второй среды. Поэтому в атмосфере имеются падающие и отраженные волны, а во второй среде – преломленная волна. При отражении волн может меняться ее поляризация, а преломленная часть волны поглощается средой. Отражение радиоволн от ровной плоской поверхности подчиняется закону геометрической оптики. Если поверхность земли не ровная, то радиоволны отражаются в различных направлениях, в том числе и в обратном. Рассеянный сигнал может иметь помимо составляющей той же поляризации, что и падающая волна составляющую ортогональную поляризацию. Поверхность считается ровной, если максимальная высота неровности hн удовлетворяет условию: hн<<λ/(8cosφ) (4). , γде ?-угол падения радиоволны. Для УКВ линии, при которой связь осуществляется только на расстоянии прямой видимости поднятие антенн над поверхностью земли позволяет увеличить протяженность связи. Для СВ и ДВ увеличение протяженности радиолиний обеспечивается дифракцией радиоволн, т.е. огибанием препятствий, встречающихся на их пути. Влияние тропосферы на распространение радиоволн также, как и в случае распространения земных радиоволн в основном определяется характером изменения диэлектрической проницаемости и проводимости среды, которые в свою очередь зависят от физико-химических свойств газов, входящих в тропосферу. Относительный газовый состав тропосферы остается постоянным по всей высоте, изменяется лишь содержание водяных паров, которые зависят от метеорологических условий и убывают с высотой. При распространении в тропосфере радиоволны см-го и более коротковолнового диапазона она теряет энергию вследствие поглощения каплями воды и рассеяния в них. При прохождении радиоволн в каждой капельке воды наводятся токи поляризации, которые обуславливают потери энергии. При этом каждая капля переизлучает э.м. волны, причем равномерно во все стороны, что и приводит к рассеянию мощности радиоволны. Мм- волны испытывают добавочное поглощение в молекулах водяного пара и кислорода. При распределении радиоволн в тропосфере наблюдаются искривления траектории волны, причем степень искривления и направления волны зависят от состояния тропосферы. Это явление искривления траектории называемое рефракцией объясняется изменением диэлектрической проницаемости ? и показателя преломления тропосферы с высотой. Представим тропосферу в виде тонких сферических слоев с неизменными в слое и отличающимися в разных слоях коэффициентами преломления. При прохождении радиоволны через границы слоев она будет преломляться. Если коэффициент преломления убывает с высотой, то угол преломления увеличивается, т.е. dn/dh<0, и имеет место положительная тропосферная рефракция. Если dn/dh>0, то имеет место отрицательная тропосферная рефракция и траектории радиоволн искривляются вверх от земли. При положительной тропосферной рефракции имеет место 3 частных случая: 1) нормальная рефракция 2) критическая рефракция 3) сверхрефракция Нормальная тропосферная рефракция происходит в нормальной тропосфере, параметры которой (P, t, влажность высота) соответствует некоторому среднему значению. Траектория распределения радиоволн при этом искривляется в сторону земной поверхности, что приводит к увеличению дальности радиолинии. Степень отклонения радиоволн зависит от длины волны и от состояния тропосферы. При некоторых условиях искривление такое, что радиоволна распространяется параллельно земле на постоянной высоте. Такой вид рефракции называется критической. При резком убывании коэффициента преломления с высотой происходит полное внутреннее отражение радиоволны от тропосферы, и она возвращается на землю. Это явление называется сверхрефракцией и наблюдается в диапазоне УКВ.

Когда область сверхрефракции занимает значительное расстояние над земной поверхностью УКВ может распространяться на весьма большие расстояния. Радиоволна в этом случае распространяется путем последовательного чередования 2х явлений: рефракции в тропосфере и отражения от земли. Это явление получило название распространение радиоволн в условиях тропосферного волновода. Такое волноводное распространение возможно для см и дм волн. Высота тропосферных волноводов может достигать несколько десятков метров. В тропосфере создаются и другие условия обеспечивающие дальнее распространение радиоволн. На высотах 1-3 км наблюдаются инверсионные слои, т.е. слои с резким изменением коэффициента преломления, которые могут отражать радиоволны. Толщина инверсионного слоя может колебаться от нескольких метров до ста метров. При этом коэффициент отражения имеет достаточную величину только для самых пологих лучей при малой толщине слоя по сравнению с длиной волны из этого следует что достаточная интенсивность отражений наблюдается на метровых волнах. Длинные волны отражаются слабее. Отражаясь от высоких инверсионных слоев радиоволны могут распространяться на расстояние до 200-400 км. Однако это явление, как и тропосферный волновод для создания регулярно действующей радиолинии ограничено нерегулярностью проявления. Более реальным является использование дальнего тропосферного распространения за рассеяния УКВ на неоднородностях тропосферы. Неоднородности тропосферы представляют собой области, в которых диэлектрическая проницаемость отличается от среднего значения для окружающей тропосферы. Неоднородности создают вторичное излучение, носящее многолучевой характер. Максимум переизлучения ориентирован в сторону первоначального распространения волны и лишь некоторая часть в сторону. Протяженность радиолинии в случае тропосферного рассеяния достигает 300-500 км. Такие радиолинии широко используются в настоящее время там, где нельзя установить промежуточные ретрансляционные станции (над проливами, в северных и мало населенных районах). Эти радиолинии обеспечивают хорошую надежность передачи телефонных и телеграфных сообщений. Влияние ионосферы на распространение радиоволн обуславливается двумя основными факторами - наличием неоднородностей и относительно высокой концентрацией электронов. Неоднородности ионосферы представляют собой некоторые области, электронная плотность в которых отличается от среднего значения на данной высоте. Размеры неоднородностей могут быть от нескольких метров до нескольких километров. В области D преобладают мелкие неоднородности размером до десятков метров, в слое Е до 200-300 м, а в слое F до нескольких километров. Хотя неоднородности ионосферы постоянно меняются, тем не менее они используются радиосвязи на метровых волнах на дальности 1-2 тыс. км. Наличие в ионосфере электронов и ионов определяет величину диэлектрической проницаемости, от которой зависит затухания ионосферных волн. Диэлектрическая проницаемость ионизированного газа всегда <1 и зависит от частоты радиоволны. ε≈1-81*Nэ/f 2 (5), где f- рабочая частота, Nэ – электронная плотность. Из формулы (5) видно, что при некотором значении электронной плотности диэлектрическая проницаемость может стать равной 0. Частота f 0 при которой ε=0 называется собственной частотой ионизированного газа. В этом случае формула (5) имеет вид: (6). При f<f 0 диэлектрическая проницаемость оказывается меньше 0. Это означает, что при этом радиоволны в ионизированной среде не распространяются, т.к. диэлектрическая проницаемость ионизированного газа зависит от частоты колебаний, то скорость распространения радиоволн также зависит от частоты. Среды в которых скорость распространения радиоволн зависит от частоты называются диспергирующими. В этих средах различают фазовую и групповую скорости распространения радиоволн. Фазовая скорость – это скорость перемещения фронта волны, т.е. геометрического места точек с постоянной фазой при распространении монохроматической волны. Для ионизированного газа без учета потерь фазовая скорость (7). Из формулы (7) видно что, каждой частоте соответствует своя фазовая скорость. Эта скорость > скорости света в свободном пространстве. Таким образом дисперсия волн проявляется при одновременном распространении нескольких монохроматических волн различных частот, что практически всегда имеет место. Спектральная составляющая радиосигнала в диспергирующей среде распространяется с разными фазовыми скоростями, что приводит к искажению сигнала. Групповая скорость – это скорость распространения максимума огибающей сигнала. Для ионизированного газа групповая скорость Uгр распространения волны в диспергирующей среде определяется выражением: (8). Γрупповая и фазовая скорости связаны соотношением: Uгр*Uф=с 2 (9) Т.о. в ионизированном газе радиосигналы распространяются со скоростью меньшей скорости света. Очевидно, что при распространении в ионосфере наибольшее искажение будут испытывать широкополосные сигналы, к которым относятся короткие импульсы.

Импульс 1 после прохождения через ионосферу приобретает форму 2. При распространении через ионосферу искажение вследствие дисперсии претерпевают импульсы длительностью в несколько секунд. А длительные телеграфные импульсы из-за дисперсии практически не искажаются. При распространении радиоволны через ионосферу ее траектория искривляется, при определенной диэлектрической проницаемости, электронной плотности, угле падения волны, ее рабочей частоте радиосигнал может отразиться от ионосферы. При этом угол падения Θ должен быть равен или превышать некоторый критический угол Θкр. Отражение радиоволн возможно и при нормальном падении на ионосферу и происходит оно на той высоте, где рабочая частота равна собственной частоте ионизированного газа. Чем больше электронная плотность, тем для более высоких частот выполняется условие отражения. Максимальная частота, при которой радиоволна отражается в случае вертикального падения на ионосферу, называется критической частотой f КР . Если рабочая частота больше критической, то при нормальном падении на ионосферу отражения не происходит и волна уходит в космическое пространство. Во время солнечных вспышек возникают ионосферные магнитные бури ухудшающие УКВ и КВ связь. Т.о. параметры тропосферы и ионосферы флуктуируют во времени. Это приводит к случайным изменениям амплитуды и фазы радиосигнала и вызывает их искажение. Флуктуация амплитуды сигнала называется замиранием.

Распространение средних волн (СВ)

СВ имеют =100-1000 м и могут распространяться как земными, так и ионосферными волнами. Земные радиоволны (РВ) СВ-диап-на испытывают значительные поглощения в полупроводящей поверхности Земли, что ограничивает их распространение расстоянием 500-700 км. Ионосферные РВ СВ-диап-на могут распространятся на гораздо большие расстояния, однако это имеет место в ночное время суток. Днём распространение СВ происходит практически только земной волной, т.к. ионосферная волна поглощается в слое D и быстро затухает. В ночное время слой D исчезает и СВ распространяются путём отражения от слоя Е ионосферы. Т.о. в диап-не СВ на некотором расстоянии от передатчика возможен одновременный приход земной и ионосферной волн (ИВ).

Вследствие того , что длина пути ИВ меняется по случайному закону при изменении электронной плотности ионосферы изменяется разность фаз волн, приходящих в некоторую точку приёма В. Если разность фаз земной и ИВ =0, то сигнал максимален, а если =180 о , то минимален. Такое изменение напряжённости поля, т.е. сигнала, называется ближним замиранием поля.

Возможен и другой вид замирания, так называемое дальнее замирание поля. Оно возникает в случае прихода в некоторую точку С (рис.18) ИВ путём одного (кривая 3) и двух (кривая 2) отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн так же приводит к колебаниям напряжённости эл. поля. Замирания тем глубже и чаще, чем короче  . Средняя длительность замираний в диапазоне СВ изменяется в пределах от 1с до 10-ков секунд.

Глубокие замирания в диап-не СВ сильно затрудняют приём передаваемой по радиолинии информации. Для борьбы с замираниями на передающей стороне радиолинии применяют специальные антенны, у которых максимум излучения прижат к земной поверхности. В этом случае зона ближних замираний удаляется от передатчика, а дальнее замирание вообще не возникнет, т.к. волна, пришедшая путём двух отражений будет сильно ослаблена. В радиоприёмных устройствах для борьбы с замираниями применяется автоматическая регулировка усиления (АРУ), которая обеспечивает поддержание постоянного уровня сигнала на выходе несмотря на значит. колебания напряжения на входе. Уменьшение уровня ионизации в зимние месяцы позволяет увеличить протяжённость радиолиний в СВ-диап-не зимой.

СВ находят многообразное применение для построения радиосвязи на относительно небольшие расстояния(до 1000 км). На СВ работают радиовещательные станции. В бортовых устройствах СВ используются для радиосвязи и радионавигации.

Распространение коротких волн (КВ)

К КВ относятся РВ с  =(10-100)м . Они могут распространяться как в виде земных (ЗВ), так и ионосферных волн (ИВ). Вследствие сильного поглощения в земн. поверхности и плохих условий дифракции земные РВ КВ диап-на распространяются на расстояния до 100 км. Над морем ЗВ испытывает меньшее поглощение, поэтому дальность КВ радиосвязи ув-ся до нескольких сот км. Если передающие и приёмные антенны поднять над земной поверхностью, поглощение ЗВ уменьшается, а дальность действия радиолинии будет доходить до 1000 км. Это имеет место, например, при радиосвязи между самолётами или между самолётом и землёй. Распространение КВ ионосферной волной происходит путём многократного последовательного отражения от слоя F ионосферы и земной поверхности. КВ не испытывают заметного поглощения при пересечении слоёв E и D, что обеспечивает возможность их распространения на сколь угодно большие расстояния. Для этого требуются радиопередатчики сравнительно небольшой мощности, что является ценной особ-тью КВ-диап-на. Еще одной особенностью этого диап-на является возможность создания направленного излучения РВ, что позволяет уменьшить излучение вдоль земной поверхности и, следовательно, уменьшить потери энергии.

Для связи ионосферной волной в КВ-диапазоне необходимо вып-е двух условий: 1.) волны должны отражаться от ионосферы (И); 2) они не должны сильно поглощаться в слоях И.

Эти условия влияют, прежде всего, на выбор рабочих частот.

Для отражения волны необходимо, чтобы электронная плотность И. была достаточной. Рабочая частота f  , при которой волны отразятся от ионосферы при заданной электронной плотности N Э и угле падения  0 равна:

Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона. Нижняя граница рабочего диапазона определяется степенью поглощения КВ в И.. В диап-не КВ уменьшение поглощения происходит с повышением частоты. Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия получения в некоторой точке пространства достаточной для приёма напряжённости ЭМ поля при данной мощности передатчика. Электронная плотность И. меняется в течение суток, поэтому днём рабочий диапазон волн 10-25м, ночью 35-100м. Необходимость правильного выбора длины волны усложняет организацию радиосвязи.

Для КВ радиолиний характерна ещё одна особенность – наличие так называемой зоны молчания. Зоной молчания (ЗМ) называют кольцевую область вокруг передатчика, в пределах которой невозможен приём РВ. Наличие ЗМ объясняется тем, что земные радиоволны 1 быстро затухают, а ИВ 2 приходят в некоторую точку земной поверхности на значительном удалении от радиопередатчика, т.к. для ИВ, падающих под малыми углами на И. не выполняется условие отражения (10) и они (рис. 19) уходят в космическое пространство. Пределы зоны молчания зависят от рабочей длины волны и уровня электронной плотности. Днём при связи на волнах в 10-25м ЗМ достигает 1000км, а ночью при связи на волнах 35-100м ширина ЗМ уменьшается до нескольких сот км. С увеличением мощности передатчика ЗМ так же уменьшается.

При распространении КВ, так же, как и в средневолновом диапазоне наблюдается явление случайного изменения во времени уровня сигнала, т.е. замирание. Сущ-ют замирания быстрые и медленные.

Быстрые замирания являются следствием многолучевого распространения РВ (рис 20а). Прежде всего причиной замираний служит приход в точку приёма РВ претерпевших одно и двукратное отражение от И.. Радиоволны 2 и 3 проходят разные пути, поэтому их фазы неодинаковы. Кроме того, изменение электронной плотности И. приводит к изменению длины пути каждой волны. Такие изменения происходят непрерывно, поэтому колебание напряж-ти эл. поля в диап-не КВ являются частыми и глубокими. Замирания радиосигналов вызываются также рассеянием РВ на неоднородностях И.(рис 20б) и интерференции рассеянных волн. ИВ-на КВ-диап-на под действием м. поля земли распадается на две составляющие – обыкновенную и необыкновенную, распространяющиеся с разными фазовыми скоростями (рис 20в). Интерференция составляющих магниторасщеплённой волны также приводит к замираниям. При отражениях от И. наблюдается также поворот плоскости поляризации волны. Если приёмная антенна принимает волны одной поляризации, то случайные изменения поляризации РВ-ны приведет к колебаниям уровня входящего сигнала. Все указанные причины замирания сигнала как правило действуют одновременно. Изменение поглощения РВ в И. также вызывает замирание, по времени проявления они медленнее.

Для борьбы с замираниями применяют направленные антенны, организуют приём радиоволн на разнесённые антенны, т.к. величина разноса порядка 10 обеспечивает надёжный приём. Эффективным является разнесение антенн по поляризации, т.е. приём РВ на две антенны, имеющие взаимно перпендикулярную поляризацию. При благоприятных условиях распространения КВ могут огибать земной шар один или несколько раз.

Тогда в точке приёма помимо основного сигнала с некоторым опозданием (0.1с) возможно появление такого же сигнала. Это явление, называемое радиоэхо ухудшает качество приёма радиосигналов. КВ нашли широкое и весьма многообразное применение прежде всего в организации дальней связи для радионавигации и радиовещания, в целях радиолокации для загоризонтного обнаружения объектов.

Распространение УКВ

К УКВ относят сравнительно большой диапазон волн =10-0.001м. Диапазон УКВ делят на поддиапазоны метровых (МВ), дециметровых (СМ), сантиметровых (СМ) и миллиметровых (ММ) волн. Каждый из поддиапазонов имеет свои особенности распространения, однако существуют общеосновные положения, свойственные всему диап-ну УКВ. Условия распространения УКВ определяются прежде всего свойствами трассы. УКВ слабо дифрагируют вокруг выпуклой поверхности Земли и крупных неровностей на ней и по этой причине распространяются на расстояния лишь незначительно превышающие дальность прямой видимости. Для того чтобы увеличить дальность УКВ-связи и уменьшить влияние окружающих антенну неровностей радиолинии стремятся поднять над земной поверхностью по возможности выше. Дальность действия радиолинии при этом с учётом атмосферной рефракции, определяется формулой

где h 1 , h 2 - высота поднятия антенн в метрах, D – дальность радиолинии в км. Если протяжённость УКВ радиолинии много меньше предельно возможной дальности прямой видимости, то сферичность Земли, рефракция в тропосфере не влияют на распространение РВ. Для подобных радиолиний характерны большая устойчивость и неизменность уровня радиосигнала во времени, если передатчик и приёмник стационарные. Если хотя бы один из абонентов УКВ радиолинии является подвижным объектом, то уровень радиосигнала меняется во времени вследствие изменении угла наблюдения при движении объекта и изрезанности (?) зоны излучения стационарной передающей антенны.

Если протяжённость УКВ радиолинии превышает пределы прямой видимости, то на качество её работы влияет сферичность Земли, явление рефракции, а также метеорологические условия. Сферичность Земли оказывает заметное ослабляющее действие, а тропосферная рефракция большей частью улучшает условия приёма. При нормальной тропосферной рефракции протяж-ть УКВ радиолинии может превышать пределы прямой видимости на 15. ДЛЯ наземных радиолиний с низко расположенными антеннами максимальная дальность распространения УКВ не превышает нескольких км. С антеннами , поднятыми на высоту порядка 20-25м максимальная дальность составляет 40-60 км. Для самолётов, летящих на средних высотах она равна 300-400 км. При распространении УКВ над пересечённой местностью препятствия ослабляют сигналы в том случае, если они перекрывают линию прямой видимости между антеннами приёмо-передающих устройств.

Вместе с тем, на трассах УКВ в горных условиях наблюдается явление улучшения распространения РВ. Например, на трассах протяжённостью 100-150 км проходящих через горы высотой 1-2 км наблюдается явление усиления препятствием. Это явление заключается в том, что интенсивность ЭМ поля радиоволны при некотором удалении за препятствие оказывается больше, чем в случае распространения без препятствия. Объясняется это тем, что вершина горы служит естественным пассивным ретранслятором.

Поле, возбуждающее вершину горы складывается из прямой волны 1 и отражённой волны 2. Волны дифрагируют на острой вершине и распространяются в область за гору. К месту расположения приёмной антенны А2 приходят волны 3 и 4, сумма которых значительно превышает уровень сигнала в этой точке пространства при распространении РВ без препятствия. Явление усиления препятствием экономически выгодно и позволяет организовать радиолинию в горах без ретрансляционной станции.

Распространение УКВ на большие расстояния (до 200-1000 км) возможно путём рассеяния на неоднородностях тропосферы, которые действуют как вторичные излучатели. Поле, создаваемое вблизи земной поверхности есть результат интерференции полей, переизлучённых большим числом неоднородностей. На неоднородностях тропосферы хорошо рассеиваются волны см. и дм. диап-нов. Волны метрового диап-на переизлучаются неоднородностями ионосферы.

Максимальная протяжённость радиолинии, использующей ионосферные волны метрового диап-на достигает 2000-2300 км. Такая радиосвязь имеет большое преим-во перед коротковолновыми линиями связи в возможности круглосуточной работы на одной частоте без заметных нарушений связи.

Сверхдальняя связь на УКВ может быть основана на использовании явления сверхрефракции в тропосфере. Если область сверхрефракции занимает значительный объём над земной поверхностью, то при этом обеспечивается распространение УКВ на большие расстояния в условиях, так называемого, тропосферного волновода. Такая связь имеет недостатки: 1) приём радиоволн возможен, если приёмник и передатчик находятся в пределах волновода; 2) нерегулярное появление волноводов не может обеспечить устойчивую связь на больших расстояниях.

Явление сверхрефракции имеет и негативную сторону. Оно может служить причиной взаимных помех, создаваемых станциями, работающими в см-ровом диап-не, а также помех радиолокационным станциям обнаружения воздушных объектов.

УКВ широко применяются на космических радиолиниях, подразделяющихся на виды Земля-космос и космос-космос. Межпланетная плазма оказывает слабое поглощающее или рассеивающее воздействие на радиоволны. На р/линии Земля-космос решающее значение имеет ослабление сигналов из-за большой протяжённости трассы и поглощения в атмосфере Земли. Для космических систем связи оптимальными являются волны длиной от 3 до 10 см.

В современных линиях радиосвязи УКВ занимают особое место, т.к. обладают рядом преимуществ по сравнению с РВ-нами других диап-нов:

1.Диапазон УКВ занимает очень широкий спектр частот, что позволяет разместить в нём большое количество одновременно работающих без взаимных помех радиосредств, а также маневрировать их рабочей длиной волны.

2.В диап-не УКВ возможно создание широкополосных радиолиний, таких как телевизионные линии или широкополосные радиолинии с ЧМ.

3.Применение УКВ позволяет сравнительно легко осуществлять остронаправленное излучение и приём радиоволн с помощью антенн относит-но небольших размеров.

4.Радиоприём на УКВ в меньшей степени подвержен воздействию атмосферных и промышленных помех.

5.Ограничение дальности распространения УКВ обеспечивает относительную скрытность передачи информации.

МВ и ДМВ используют для передачи ТВ изображений, для радиосвязи самолётов между собой и с наземными пунктами. См-ровые волны прим-ся для линий связи широкого назнач-я, для такой же связи применяются и мм-ровые волны.

Влияние ионосферы на распространение радиоволн

Всякая система передачи сигналов состоит из трех основных частей:
передающего устройства,
приемного устройства
и промежуточного звена — соединяющей линии.
Для радиосистем промежуточным звеном является среда — пространство, в котором распространяются радиоволны. При распространении радиоволн по естественным трассам, т. е. в условиях, когда средой служит земная поверхность, атмосфера, космическое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практически не поддается управлению.
При распространении радиоволн в среде происходят изменение амплитуды поля волны (обычно уменьшение), изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов.
Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли (в масштабе длины волны) называют земными радиоволнами <1 на рис. 1). Рассматривая распространение земных волн, атмосферу считают средой без потерь с относительной диэлектрической проницаемостью е. равной единице.

Пути распространения радиоволн

Рис. 1. Пути распространения радиоволн

Влияние атмосферы учитывают отдельно, внося необходимые поправки.В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места.
Ионосферой называется область атмосферы на высоте 60—10 000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов (примерно 103—106 электронов в 1 см3 воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. При однократном отражении радиоволны могут перекрывать расстояние по поверхности Земли до 4000 км. В результате многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут распространяться на любые расстояния по земной поверхности. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами 3.
На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.

Наличие в верхних слоях атмосферы свободных электронов определяет электрические параметры ионизированного газа — его диэлектрическую проницаемость ε и проводимость γ
Число электронов, содержащихся в единице объема воздуха, называется электронной плотностью Na (см-3)
Электронная и ионная плотности ионосферы непостоянны по высоте, что приводит к преломлению и отражению радиоволн в ионосфере.

Распределение плотности электронов по высоте атмосферы.

Рис. 2 Распределение плотности электронов по высоте атмосферы.

Объемные неоднородности ионизированного газа вызывают рассеяние радиоволн Указанные явления определяют условия распространения радиоволн в ионосфере и в одних случаях могут быть использованы, а в других должны быть учтены при работе радиолиний.
Ионосфера в целом является квазинейтральной, т.е. количества имеющихся в ней положительных и отрицательных зарядов равны.
Температура газа, начиная с высоты h = 80 км, плавно возрастает, достигая 2000—3000 К при h=500—600 км Возрастание температуры с высотой в области ионосферы объясняется тем, что воздух здесь нагревается непосредственно излучением Солнца.
Основным источником ионизации земной атмосферы являются электромагнитные волны солнечного излучения длиной короче 0,1 мкм — нижний участок ультрафиолетового диапазона и мягкие рентгеновские лучи, а также испускаемые Солнцем потоки заряженных частиц Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи производят ионизацию только на освещенной части земного шара и более интенсивно в приэкваториальных областях Заряженные частицы движутся по спиральным линиям в направлении магнитных силовых линии к магнитным полюсам земного шара и производят ионизацию главным образом в полярных областях Считают, что ионизирующее действие потока частиц составляет не более 50% ионизирующего действия ультрафиолетового излучения Солнца.
Ионизацию создают также метеоры, вторгающиеся в земную атмосферу со скоростями 11—73 км/с Кроме повышения среднего уровня ионизации метеоры создают местную ионизацию за метеором образуется столб ионизированного газа, который быстро расширяемся и рассеивается, существуя в атмосфере от одной до нескольких секунд Такие ионизированные следы метеоров образуются на высоте 80—120 км над земной поверхностью Характеристика метеорных частиц, попадающих в земную атмосферу, и плотность ионизированного следа, оставляемого ими, приведены в табл 1.

Масса частиц
т, г Радиус частиц,
см Число частиц падающих ежедневно на Землю Электронная плотность, Nэ см-3
1 0,4 105 2 1015
10-3 0.04 108 2 1014
10-5 0,008 1010 5 1013

После прекращения действия источника ионизации электронная плотность спадает по гиперболическому закону Поэтому с за ходом Солнца ионизация в нижних слоях ионосферы исчезает не мгновенно, а в верхних слоях — сохраняется в течение всей ночи.
Заметная электронная плотность появляется в атмосфере начиная с высоты примерно 60 км. Далее электронная плотность ионосферы меняется с высотой над земной поверхностью, а следовательно, и электрические свойства ионосферы неоднородны по высоте.
При распространении радиоволны в неоднородной среде ее траектория искривляется. При достаточно большой электронной плотности искривление траектории волны может оказаться настолько сильным, что волна возвратится на поверхность Земли на некотором расстоянии от места излучения, т. е. произойдет отражение радиоволны в ионосфере.
Отражение радиоволн, посланных с поверхности Земли на ионосферу, происходит не на границе воздух — ионизированный газ, а в толще ионизированного газа. Отражение может произойти только в той области ионосферы, где диэлектрическая проницаемость убывает с высотой а, следовательно, электронная плотность возрастает с высотой, т. е. ниже максимума электронной плотности ионосферного слоя.

Схема отражения радиоволн от ионосферы

Рис. 3. Схема отражения радиоволн от ионосферы.
Условие отражения связывает угол падения волны на нижнюю границу ионосферы φ с диэлектрической проницаемостью в толще самой ионосферы на той высоте, где происходит отражение волн (рис. 3):
sinφ0 = εn1/2 = (1 — 80,8Ne/f2)1/2
Здесь и далее Nэ — плотность электронов, см3, а частота f в кГц.

Чем больше значение Nэ, тем при меньших углах φо возможно отражение. Угол φо, при котором в данных условиях еще возможно отражение, называют критическим углом.

Отсюда можно определить рабочую частоту fφ при которой волны отразятся от ионосферы в случае заданных электронной плотности и угле падения:
fφ= (80,8Ne/cosφ0)1/2
Если волна нормально падает на ионосферу, то
fφ= (80,8 Ne)1/2 = f0
При нормальном падении волны отражение происходит на тон высоте, где рабочая частота равна собственной частоте ионизированного газа и, следовательно, ε=0. При наклонном падении на этой высоте могут отразиться радиоволны с более высокой частотой. Выполняется так называемый закон секанса, заключающийся в том, что при наклонном падении отражается волна частотой, в secφо раз превышающей частоту волны, отражающейся при вертикальном падении волны на слой заданной электронной плотности:
fφ = f0 secφ0
Чем больше электронная плотность, тем для более высоких частот выполняется условие отражения.
Максимальная частота, при которой волна отражается в случае вертикального падения на ионосферный слой, называется критической частотой fкр, отражение происходит вблизи максимума ионизации слоя:
fкр = (80,8 Neмакс)1/2
Сферичность Земли ограничивает максимальный угол φо :
sinφмакс = R0/(R0 + h0)
а следовательно, и максимальные частоты радиоволн, которые могут отразиться от ионосферы при данной электронной плотности.
К диапазону сверхдлинных волн (СДВ) относят волны длиной от 10 000 до 100 000 м (f = 30—3 кГц), а к длинным волнам (ДВ)—волны от 1000 до 10000 м (f = 300-30 кГц).
Токи проводимости для диапазонов СДВ и ДВ существенно преобладают над токами смещения для всех видов земной поверхности. Поэтому при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное проникновение ее энергии в глубь Земли. Сферичность Земли, служащая препятствием для прямолинейного распространения радиоволн, до расстояний 1000—2000 км остается соизмеримой с длиной волны, что способствует хорошему огибанию длинными волнами земного шара благодаря дифракции. Незначительные потери и oгибание земной поверхности обусловили возможность ДВ и СДВ распространяться земной волной на расстояние до 3000 км.
Начиная с расстояния 300—400 км помимо земной волны присутствует волна, отраженная от ионосферы. С увеличением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700—1000км поля земной и ионосферной волн становятся примерно равными. Суперпозиция этих двух волн дает интерференционную картину поля.
На расстоянии свыше 3000 км ДВ и СДВ распространяются только ионосферной волной. Для отражения длинных волн достаточно небольшой электронной плотности, так что днем отражение этих волн может происходить на нижней границе слоя D, а ночью—на нижней границе слоя Е. Проводимость в этой области ионосферы для ДВ довольно значительна (но в тысячи раз меньше, чем проводимость сухой земной поверхности) и токи проводимости оказываются того же порядка, что и токи смещения Следовательно, нижняя область ионосферы для ДВ обладает свойствами полупроводника.
На ДВ и особенно на СДВ электронная плотность слоев D и Е меняется резко на протяжении длины волны. Поэтому и отражение здесь происходит как на границе раздела воздух — полупроводник, без проникновения радиоволны в толщу ионизированного газа. Этим обусловлено слабое поглощение ДВ и СДВ в ионосфере.
Расстояние от земной поверхности до нижней границы ионосферы составляет 60—100 км, т. е. того же порядка, что и длина волн (ДВ и СДВ), так что волны распространяются между двумя близко расположенными полупроводящими концентрическими сферами, одной из которых является Земля, а другой — ионосфера. Условия распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе.
Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волны — волны, распространяющиеся с наименьшим затуханием, и критическую волну. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, оптимальными являются волны длиной 25 — 35 км, а критической — волна длиной 100 км. Подобно законам распространения радиоволн в обычных волноводах, в сферическом ионосферном волноводе фазовая скорость радиоволн превышает скорость света в свободном пространстве.
К диапазону средних волн (СВ) относят радиоволны λ= 100 — 1000 м (f = 0,3 — 3 МГц). Диапазон СВ используется для радиовещания, радионавигации, радиотелеграфной и радиотелефонной связи; СВ могут распространяться как земными, так и ионосферными волнами.
Напряженность электрического поля земных волн определяется для малых расстояний, а для больших расстояний — по законам дифракции. СВ испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, поэтому дальность распространения земной волны ограничена расстоянием 1000 км. Следует также учитывать, что неровности земной поверхности снижают эффективную проводимость почвы. Приближенно для равнинной местности γэфф = (0,5—0,7)γ, для, холмистой γэфф= (0,15—0,2)γ, для районов вечной мерзлоты γэфф = γ.

Ближние и дальние замирания на средних волнах

Рис. 4. Ближние и дальние замирания на средних волнах.

1 — земная волна;
2 — волна, отразившаяся от ионосферы один раз;
3 — волна, отразившаяся от ионосферы дважды.
На большие расстояния СВ, распространяются только в ночное время путем отражения от слоя Е ионосферы, электронная плотность которого оказывается достаточной для этого. В дневные часы на пути распространения СВ расположен слой D, который чрезвычайно сильно поглощает энергию этих волн. Поэтому при обычно применяемых мощностях передатчиков напряженность электрического поля на больших расстояниях оказывается недостаточной для приема и в дневные часы распространение СВ происходит практически только земной волной. Ионосферные возмущения не влияют на распространение СВ, так как слой Е мало нарушается во время ионосферно-магнитных бурь.
Замирания на средних волнах наблюдаются только в ночные часы, когда на некотором расстоянии от передатчика возможен приход одновременно пространственной и поверхностной волн в точку В, причем длина пути пространственной волны меняется с изменением электронной плотности ионосферы. Изменение разности фаз этих волн приводит к колебанию напряженности электрического поля во времени, называемому ближним замиранием. На значительное расстояние от передатчика (точка С) могут прийти волны путем одного или двух отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн также приводит к колебанию напряженности поля, называемому дальним замиранием. Скорость замираний невелика (период замираний составляет 1— 2 мин). Статистические характеристики замираний не исследованы.
Для борьбы с замиранием на передающем конце радиолинии применяются антенны с диаграммами направленности, прижатыми к земной поверхности. При такой диаграмме направленности зона ближних замираний удаляется от передатчика, а на больших расстояниях поле волны, пришедшей путем двух отражений, оказывается ослабленным.
К диапазону коротких волн (KB) относят волны длиною от 10 до 100 м (f = 30— 3 МГц). Волны KB диапазона распространяются земной волной на расстояние не более 100 км вследствие сильного поглощения в земной поверхности и плохих условий дифракции.

Схема распространения KB на большие расстояния

Рис. 5 Схема распространения KB на большие расстояния.

а — интерференция волн, отраженных однократно и двукратно от ионосферы,
1 — поверхностная волна;
2—волна, распространяющаяся путем одного отражения от ионосферы;
3 — волна, распространяющаяся путем двух отражений от ионосферы;
4 — волна, рабочая частота которой больше максимально допустимой;
б — интерференция рассеянных волн;
в—интерференция магниторасщепленных составляющих волн.
Распространение KB ионосферной волной происходит путем последовательного отражения от слоя F (иногда слоя Е) ионосферы и поверхности Земли. При этом волны проходят через нижнюю область ионосферы — слои Е и D, в которых претерпевают поглощение (рис. 5, а). Для осуществления радиосвязи на KB должны быть выполнены два условия: волны должны отражаться от ионосферы и напряженность электромагнитного поля в данном месте должна быть достаточной для приема, т. е. поглощение волны в слоях ионосферы не должно быть слишком большим. Эти два условия ограничивают диапазон применимых рабочих частот.

Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не слишком высокой, а электронная плотность ионосферного слоя достаточной для отражения этой волны в соответствии с (3-44). Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона.
Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере (см. рис. 5). Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электромагнитного поля должна быть достаточной для приема.
Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток:
— днем работают на волнах 10—25 м, а ночью на волнах 35—100 м.
Необходимость правильного выбора длины волны для сеансов связи в различное время усложняет конструкцию станции и работу оператора.
Зоной молчания KB называют кольцевую область, существующую на некотором расстоянии от передающей станции, в пределах которой невозможен прием радиоволн. Появление зоны молчания объясняется тем, что земная волна затухает и не достигает этой области, а для ионосферных волн, падающих под малыми углами на ионосферу, не выполняются условия отражения. Пределы зоны молчания (ВС) расширяются при укорочении длины волны и снижении электронной плотности.
Замирания в диапазоне KB более глубоки, чем в диапазоне СВ. Основной причиной замираний является интерференция лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы. Помимо этого замирания вызываются рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн, а также интерференцией обыкновенной и необыкновенной составляющих магниторасщепленной волны.
При благоприятных условиях распространения KB могут огибать земной шар один и несколько раз. Тогда помимо основного сигнала может быть принят второй сигнал, запаздывающий примерно на 0,1 с и называемый радиоэхо. Радиоэхо оказывает мешающее действие, на линиях меридионального направления.
Радиосвязь на KB претерпевает нарушения, основной причиной которых являются ионосферно-магнитные бури. При этом слой F разрушается и отражение KB становится невозможным. Наиболее часто эти нарушения наблюдаются в приполярных районах и длятся от нескольких часов до двух суток. Второй вид нарушений — внезапные поглощения (наблюдаются только на освещенной части земного шара), которые длятся от нескольких минут до нескольких часов. Часто оба вида нарушений связи возникают одновременно.