Особенности распространения радиоволн различных диапазонов

Распространение сверхдлинных и длинных радиоволн

Условия распространения. Для СДВ () и ДВ () ионосфера и поверхность земли обладает высокой проводимостью. Поэтому РВ распространяется путем мгновенного отражения от нижней границы ионосферы (D – днем, Е - ночью) и Земли, как в гигантском волноводе. Этим, а не дифракцией поверхностного луча, объясняется огибание ими кривизны Земли и проникновение за любые ее неровности. Связь может быть обеспечена с любым пунктом Земли, но для этого требуется очень большая мощность и громоздкая антенна. На волнах длиннее 20 км. можно обеспечить связь с подводными или подземными объектами, находящимися на небольшой глубине.

Рис. 4.4 Распространение СДВ и ДВ в волноводном канале

Сравнительные особенности.Достоинством СДВ и ДВ можно считать стабильность условий распространения, которые не зависят от состояния ионосферы, а значит и от времени суток, года и т.д.

Недостатками этих диапазонов являются следующие их свойства:

1) Малая частотная емкость. Ширина диапазонов СДВ и ДВ составляет 297кГц.

2) Высокий уровень атмосферных помех. Мощность атмосферных промышленных и других импульсных помех сосредоточена в основном на низкочастотном участке спектра, которому соответствуют СДВ и ДВ

Рис. 4.5 Зависимость интенсивности атмосферных и импульсных помех от частоты

3) Мощные передатчики (сотни кВт) и громоздкие антенны (сотни метров) необходимы для обеспечения дальней связи.

Области применения. Стабильность условия распространения является основной для применения СДВ и ДВ для цепей дальней навигации, передачи метеосводок и сигналов точного времени. Часть диапазона ДВ используется для радиовещания, а СДВ – для связи с подводными и подземными объектами.

Распространение средних радиоволн

Условия распространения поверхностного луча СВ () характеризуется возрастанием потерь в Земле за счет уменьшения проводимости почвы. Поэтому про максимальной достижимой мощности РПДУ дальности связи поверхностным лучом не превышает 1000 – 2000 км.

Пространственный луч СВ отражается от слоя Е. В дневное время затухание, возникающее за счет двукратного его прохождения сквозь слой D, оказывается настолько значительным, что связь отсутствует. Ночью слоя D нет. Лучи отраженные от слоя F обеспечивают дальность связи до 4 – 5 тысяч километров.

Рис. 4.6 К возникновению ближнего фединга

В зоне совместного действия поверхностного и пространственного лучей возникают интерференционные замирания – ближний фединг. Поскольку пути пройденные этими лучами различны, то различны и фазы э.д.с., наведенных ими в приемной антенне. Достаточно длинные пути пространственного луча, за счет нестабильности отражающего слоя, изменяется на , так как, вместо совпадения, эти э.д.с. окажутся в противофазе. Это приведет к их вычитанию, и замиранию приема и потере части информации. Для борьбы с замираниями используют:

– антифединговые передающие антенны, излучение которых сконцентрировано вдоль земли;

– систему автоматического регулирования усиления РПУ, повышающую усиление слабых сигналов и наоборот.

Сравнительные особенности.

Достоинства:

1). Большая частотная емкость (270 каналов шириной в 10кГц).

2). Меньше мощность РПДУ (при той же дальности связи) и менее громоздкие антенны.

3). Меньший уровень атмосферных помех.

Недостатки:

1). Нестабильность условий распространения;

2). Наличие интерференционных замираний.

Область применения. Наиболее широко СВ используется для радиовещания. На радиолиниях гражданской авиации СВ используется для связи в полярных широтах в периоды ионосферных возмущений, а также для радионавигации. На СВ работают приводные радиостанции и радиокомпасы (АРК).

Распространение коротких радиоволн

Условия распространения КВ ().

Поверхностный луч слабо огибает землю и сильно затухает в ней, т.к. с повышением частоты ее проводимость резко уменьшается. Дальность распространения поверхностного луча редко превышает 100 км.

Пространственные лучи отражаются от высоких слоев или и возвращается на Землю на значительных расстояниях от передатчика. Поэтому вокруг него возникает кольцеобразная зона молчания, в которой не действует ни земной, ни пространственный луч. Ее ширина составляет от нескольких сот до нескольких тысяч километров. Зона действия пространственных лучей, в принципе, не ограничена, т.к. они могут многократно отражаться от ионосферы и от Земли (совершать несколько скачков).

Рис. 4.7 Распространение КВ

Замирания. Также как и в диапазоне СВ причиной замирания является интерференция двух лучей, но на КВ это пространственные лучи прошедшие различные пути (дальний фединг) (рис. 4.8). Их длительность – до десятков секунд. Для борьбы с ними используются те же меры, что и в диапазоне СВ, а также прием на 2 – 3 антенны, разнесенные на расстояние на несколько длин волн. Вероятность одновременного замирания во всех антеннах очень мала.

Рис. 4.8 К возникновению дальнего фединга

Кроме интерференционных, на КВ наблюдаются и поляризационные замирания. При растворении КВ в ионосфере происходит изменение направления вектора и связанных с ним векторов . Если направление поляризации (вектора Е) окажется перпендикулярным приемной антенне, приема не будет. Замирания не сказываются, если антенна имеет вертикальную и горизонтальную части.

Исследованием замираний и разработкой методов борьбы с ними занимались советские ученые А.В. Щукин, В.А. Котельников, В.И. Сифонов.

Радиоэхо. Малое затухание КВ в ионосфере создает условия для сверхдальнего их распространения за счет многократного отражения от Земли и ионосферы. Это может привести к приему эхосигнала обогнувшего землю. Разлучают прямое и обратное кругосветное эхо в первом случае эхо сигнал и сигнал принимается из одного направления, во – втором – из противоположных. Это показано на (рис. 4.9) без многократных отражений.

Рис. 12.9

1) Прямой сигнал.

2) Прямой эхо сигнал;

3) Обратный сигнал

Поскольку каждые 1000 км сигнал проходит 3 мс, запаздывание прямого эхосигнала составляет 120 мс. Это может привести к искажениям, связанным с дублированием коротких импульсов при фототелеграфной или телеграфной связи.

Для устранения эхосигналов используют остронаправленные в вертикальной плоскости антенны. Этому способствует и правильный набор рабочей длинны волны.

Ионосферные возмущения нарушают структуру или полностью разрушают слой . Это приводит к ухудшению или полному прекращению связи на КВ, в основном в приполярных широтах. Для борьбы с нарушениями связи повышают мощность РПДУ, варьируют рабочими частотами, организуют ретрансляцию в обход области возмущений. В самолетных радиостанциях дальней связи на этот случай предусмотрено применение средневолновых блоков.

Изменения солнечной активности приводит к изменениям электронной концентрации, а значит высоты отражающего слоя и поглощения в ионосфере. Регулярные изменения с 11 – летним периодом прогнозируется заранее. На период изменений производят смену рабочих частот. Нерегулярные изменения требуют оперативного маневрирования.

Эффект Кабанова. В 1946 году советский ученый Н.И. Кабанов установил возможность приема пространственных лучей КВ отраженных от Земли и возвратившихся в точку излучения через ионосферу. Это явление используется для дальней радиолокации и наклонного зондирования ионосферы.

Выбор рабочих частот. Для осуществления связи на КВ с радиостанцией, координаты которой известны, необходимо так выбрать оптимальную рабочую частоту, чтобы отражение луча происходило в определенной точке (точках) ионосферы и чтобы затухание было незначительным. Чрезмерное повышение частоты (укорочение волны) может привести к невозвращению луча или к прекращению связи в следствие расширения зоны молчания. Максимальная частота, при которой еще возможна связь на данное расстояние в одном направлении называется максимальной применимой частотой – МПЧ ().

Выбор чрезмерно низкой частоты (длинной волны) приводит к возрастанию затухания и к отражения от более низких слоев. Это приводит к необходимости повышения мощности излучения. Наименьшая частота пригодная для связи в данных условиях обозначается: НПЧ (). Оптимальная рабочая частота ОРЧ (), выбирается между ними: .

При выборе рабочих частот используют графики радиопрогнозов, на которых показано изменение МПЧ и НПЧ в зависимости от времени в точке отражения. Каждой радиолинии КВ выделяется, как минимум, две волны: дневная – от 10 до 25 м и ночная – от 35 до 100 м, а иногда и «сумеречная» - от 25 до 35 м. Смена волн производится зимой и летом, а также в период изменения солнечной активности. Распределением частот ведают органы Министерства связи СССР.

Сравнительные особенности.

Достоинства:

1). Расширение диапазона по сравнению с СВ в 10 раз и возможность применения направленных антенн позволяет резко увеличить число одновременно работающих каналов.

2). Малое затухания КВ в ионосфере позволяет обеспечить дальнюю связь при сравнительно малой мощности РПДУ.

3). Низкий уровень атмосферных и промышленных помех.

Недостатки:

1). Наличие зоны молчания.

2). Интерференционное и поляризационное замирания.

3). Нестабильность условий распространения и необходимость смены рабочих частот.

Область применения. КВ весьма широко используется главным образом для дальней связи всех видов, в том числе космической, а также для радиовещания. В гражданской авиации КВ используется в самолетах и наземных каналах связи средней и большой протяженности.

Распространение ультракоротких радиоволн

Условия распространения УКВ ().

К диапазону УКВ относят волны, не отражаемые ионосферой в нормальных условиях. Их невозвращающиеся лучи могут быть использованы для связи с космическими объектами, находящимися за пределами ионосферы. В годы максимума солнечной активности, за счет повышения электронной концентрации ионосферы связь пространственным лунем возможна на волнах .

Тропосферное распространение. Поскольку поверхностные лучи УКВ сильно поглощаются землей, для связи вдоль Земли применяются в основном тропосферные лучи. Для ослабления потерь желательно поднимать антенны и использовать горизонтально поляризованные волны. Дифракция на УКВ выражена крайне слабо. Поэтому уверенная связь обеспечивается в пределах дальности прямой видимости между антеннами.

Рис. 4.10 К определению дальности прямой видимости

Эта дальность, ограниченная кривизной земли, возрастает при увеличении высот подъема антенн. Ее можно рассчитать по формуле:

Где: - высоты подъема передающей и высокой антенн в метрах.

Коэффициент 3.57 соответствует геометрической дальности. Его увеличение до 4.12 происходит за счет нормальной рефракции – в следствие незначительного изменения ℰ с высотой обусловленного изменением температуры, давления и влажности.

Формула для расчета напряженности поля в пределах прямой видимости была получена академиком Б.А. Введенским:

На расстояниях, меньших предела прямой видимости, кроме прямого луче, на приемную антенну воздействует луч отраженный от Земли. Если разность их путей равна нечетному числу полуволн, то в результате их интерференции возникают замирания, для ослабления которых, кроме системы АРУ, целесообразно использовать направленные антенны.

Особо опасны эти замирания для бортовых РПУ, т.к. при движении самолета фаза отраженных о земли лучей непременно изменяется.

Дальнее распространение УКВ возможно в результате следующих причин:

1). Сверхрефракция – аномальное явление, связанное с необычными метеоусловиями (например – повышение температуры с высотой), в результате которых происходит сильное искривление радиолуча и увеличение дальности связи. Если кривизна луча равна кривизне Земли, то луч огибает Землю и дальность может достигать тысяч километров. Это равноценно образованию канала над землей.

2). Тропосферное рассеяние возникает на неоднородностях создаваемых восходящими и нисходящими потоками воздуха. Если концентрировать излучение мощностью в 50 – 100 кВт в узкий луч, то за счет рассеянного отражения будет создано поле, достаточное для регулярной связи на 800 – 1000 км.

3). Ионосферное рассеяние происходит в результате образования в ионосфере областей (облаков) сильно ионизированного газа, способных рассеяно отражать УКВ. Дальность такой связи достигает 2000 км при использовании мощных РПДУ. Связь отличается высокой стабильностью.

Иногда возникает интенсивное отражение УКВ от временных неоднородностей: спорадического слоя или от метеорных следов – сильно ионизированных метеоритных шлейфов. Последнее используется для связи.

Наиболее полную теорию распространения УКВ разработал академик В.А. Фок (1944 – 56 г.г.)

Сравнительные особенности.

Достоинства:

1). Огромная частотная емкость УКВ диапазон (МВ, ДМВ и СМВ) в 1000 раз шире всех более длинноволновых диапазонов. Это позволяет использовать на УКВ практически неограниченное число каналов связи и применять радиосигналы с широкими частотными спектрами.

2). Возможность создания остронаправленных антенн.

Для получения острой направленности требуется, чтобы размеры антенны в десятки раз превосходили длину волны. На УКВ такие антенны имеют небольшие габариты. Их применение позволяет реализовать ряд применений, связанных с определением направления.

3). Практическое отсутствие атмосферных и промышленных помех. На УКВ основным видом помех являются внутренние шумы.

4). Прозрачность ионосферы для УКВ создает возможность связи с космическими объектами.

Недостатки:

1). Трудность обеспечения дальней связи вдоль Земли.

2). Резонансное поглощение волн СМВ и ММВ диапазонов, длинной: 1.35 см, 5 мм, 2.5, молекулами водяного пара и кислорода.

Области применения.

1). Радиолокация использует ДМВ и СМВ.

2). Ближняя радионавигация – в основном ДМВ.

3). Телевидение – МВ и ДМВ.

4). Радиорелейная связи – ДМВ.

5). Космическая связь – МВ, ДМВ и СМВ.

На летательных аппаратах применяются следующие устройства и системы УКВ: командная радиостанция – МВ; курсоглиссадная система посадки – МВ и ДМВ; радиовысотомеры ДМВ и СМВ; система ближней навигации – ДМВ; ответчики системы УВД – ДМВ; панорамные и допплеровские РЛС – СМВ.

Миллиметровые волны не нашли пока широкого применения.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы особенности распространения, достоинства, недостатки и области применения СДВ и ДВ.

2. Почему дальность радиосвязи на СВ в дневные и ночные часы не одинакова?

3. Как возникают и какими мерами ослабляются интерференционные замирания на СВ?

4. Каковы сравнительные особенности и области применения СВ?

5. Что такое зона молчания, почему она возникает на КВ?

6. Как зависит радиус зоны молчания от длины волны, времени суток, времени года?

7. Каковы причины замирания на КВ и меры борьбы с ними?

8. Как возникает радиоэхо, каковы его последствия?

9. Как влияют на КВ радиосвязь ионосферные возмущения, как борются с этим явлением?

10. Из каких соображений выбирают оптимальную рабочую частоту?

11. Каковы сравнительные особенности и области применения диапазона КВ?

12. Почему поверхностный и пространственный лучи УКВ не находят применения?

13. Какими лучами уверенно распространяются УКВ, от чего зависит дальность такой связи?

14. Каковы причины дальнего распространения УКВ?

15. Каковы сравнительные особенности УКВ диапазона?

16. Каковы области применения УКВ?

17. Как используется РЭО УКВ на летательных аппаратах ГА?

Выводы

1. Энергия радиоволн, излучаемых антенной, распределяется между поверхностным и пространственным лучами. На распространения поверхностного луча оказывают влияние свойства земной поверхности, пространственного – свойства ионосферы.

2. По мере повышения частоты потери энергии в земле растут, дифракция ослабляется, дальность связи поверхностным лучом уменьшается.

3. Диэлектрическая проницаемость ионизированного газа:

Чем выше концентрация электронов, и чем ниже частота , тем круче искривляется траектория радиоволны. Поэтому пространственные лучи СДВ и ДВ диапазонов отражаются от нижней границы слоя D, СВ – от слоя E. КВ – от слоя F₁ и F₂, УКВ – пронизывают ионосферу.

4. Распространение СДВ и СВ происходит в волноводном канале между Землей и слоем D. Эти волны хорошо огибают Землю и препятствия. Для дальнего распространения требуются мощные РПДУ и громоздкие антенны.

5. Волны СВ диапазона распространяются днем также как СДВ и ДВ, но на меньшее расстояние из за возрастающих потерь. Ночью дальнее распространение обеспечивается за счет отражения пространственного луча от слоя E. В следствии интерференции поверхностного и пространственного лучей возникают замирания.

6. Волны КВ диапазона поверхностным лучом распространяются на десятки километров. Пространственные лучи КВ, отражаются на больших высотах от слоев F₁ и F₂, действуют на расстоянии в сотни и тысячи километров. Области действия этих лучей разделены зоной молчания. Благодаря незначительному затуханию пространственных лучей, на КВ обеспечивается дальняя связь при малой мощности РПДУ. Недостатками КВ являются зависимость условий их распространения от состояния ионосферы, которое изменяется в течение суток, года, 11-летнего периода солнечной активности, зависит от широты точки отражения, а также наличие ионосферных возмущений, интерференционных и поляризационных замираний.

7. Волны УКВ диапазона уверенно распространяются в тропосфере на малые расстояния в пределах прямой видимости. Для повышения дальности за счет тропосферного или ионосферного рассеяния УКВ необходимо значительное увеличение мощности РПДУ. Этого также достигают путем ретрансляции сигналов через радиорелейные линии или спутники связи. Возможность использовать на УКВ остронаправленных антенн и широкополосных сигналов, прозрачность ионосферы для УКВ обусловили их широкое применение для целей наземной, авиационной и космической связи, радионавигации, радиолокации, телевидения.

8. Интенсивность атмосферных помех и промышленных помех уменьшается с повышением частоты. На УКВ эти помехи пренебрежительно слабы по сравнению с внутренними шумами.

Поиск по сайту: