Електричні параметри різних видів поверхні Землі

Вид поверхні	Середнє значення
	, См/м
Вода: морська прісна		10-3
Ґрунт: вологий сухий		10-2 10-3

Гектометрові хвилі використовуються для радіонавігації, радіозв'язку з рухомими об'єктами та радіомовлення. Хвилі цього діапазону поширюються як поверхневі й як просторові. Однак через меншу довжину далекість поши­рення поверхневої хвилі складає 300-500 км, що пояснюється як погіршен­ням дифракції, так і збільшенням втрат у ґрунті. Просторова хвиля відбиває­ться від шару Е іоносфери. При цьому вдень електромагнітна хвиля проходить попередньо через нижній шар D і поглинається в ньому таким чином, що на рівень поля просторової хвилі в точці приймання можна вже не зважати. У зв'язку з цим проявляється яскраво виражена залежність напру­женості поля від часу доби й відстані до джерела.

1. На невеликих відстанях від передавача рівень поля поверхневої хвилі набагато більший за рівень просторової, і напруженість поля практично не змінюється протягом доби.

2. На значних відстанях рівень поля поверхневої хвилі такий малий, що приймання вдень неможливе. Вночі, коли зникає поглинаючий шар D, у точку приймання починає надходити просторова хвиля. Стає можливим радіоприймання, але воно не може бути доброї якості.

3. На середніх відстанях удень може спостерігатись приймання незадові­льної якості слабкої поверхневої хвилі. З настанням темряви (зникнення шару D) з'являється добре приймання завдяки потужній просторовій хвилі.

Особливістю поширення радіохвиль гектометрового діапазону є випад­кові коливання поля в точці приймання – завмирання. Завмирання виникають У різних частотних діапазонах у тому випадку, коли в точку приймання від джерела надходить кілька електромагнітних хвиль різними траєкторіями. Це явище носить назву багатопроменевості. Для виникнення завмирань, крім того, необхідно, щоб фаза хоча б одного з променів випадково змінювалась. Тоді внаслідок інтерференції променів рівень поля в точці приймання носи­тиме випадковий характер.

У діапазоні гектометрових хвиль завмирання можуть виникнути на се­редніх (рис. 12.2, а) і великих (рис. 12.2, б) відстанях від передавача. У першому випадку спостерігається інтерференція поверхневої і просторової хвиль, а в другому - двох просторових хвиль із різним числом відбивань від іоносфери. Фаза поверхневої хвилі з плином часу не змінюється, оскільки вона залежить тільки від відстані та параметрів ґрунту. Фаза просторової хвилі неперервно змінюється. Це пов'язано з тим, що параметри іоносфери не залишають­ся постійними, а отже, висота точки відбиття є випадковою. Навіть невеликі коливання електронної концентрації призводять до зміни довжини шляху просторової (іоно­сферної) хвилі. У зв'язку з відносно невеликою довжиною хвилі в гектометровому діапазоні зміна довжини променя навіть на кількасот метрів значно змінює фазу хвилі (на і більше).

Завмирання є шкідливим явищем. Для боротьби з ними в діапазоні гектометрових хвиль використовуються спеціальні передавальні антени та автоматичне регулювання підсилення в приймачі.

Напруженість поля поверхневої хвилі в точці приймання в гектометровому діапазоні розраховується за формулами (12.8)-(12.12) й особливих пояснень не потребує. Напруженість поля просторової хвилі, мкВ/м,

,

де, як і у формулі (12.13), береться в кіловатах, а - у кілометрах. Ця формула подає усереднене значення . Для її уточнення існує цілий ряд поправок, що визначаються за спеціальними графіками й таблицями для конкретних трас та умов.

Декаметрові хвилі використовуються для магістрального радіозв'язку, радіомовлення, радіонавігації, радіолокації. Незважаючи на широкий розвиток останніми роками систем зв'язку, в яких використовують штучні супут­ники Землі, цей діапазон не втратив свого значення для зв'язку з рухомими об'єктами. Пояснюється це застосуванням досить простих антен, передавачів невеликої потужності й не дуже чутливих приймачів. На декаметрових хвилях можна забезпечити зв'язок практично між будь-якими двома точками в межах земної кулі, проте фізичні процеси під час їх поширення значно складніші, ніж для раніше розглянутих діапазонів.

Декаметрові хвилі можуть поширюватись як поверхневі і як просторові. Однак далекість дії поверхневої хвилі обмежується відстанями кількох десятків кілометрів (50-80 км), що пов'язано з надто слабкою дифракцією (через малу робочу довжину хвилі) і сильним поглинанням у напівпровідни­ковому ґрунті. Радіозв'язок у діапазоні декаметрових хвиль здебільшого здійснюється просторовою хвилею, що відбивається від верхнього, найбільш іонізованого шару . Розглянемо детальніше процеси, що відбуваються з радіохвилею в іонізованому шарі.

Як відзначалось раніше, електронна концентрація залежить від висоти. Ця залежність у шарі характеризується випуклою кривою, тобто зі зростанням висоти збільшується, досягає максимуму, а потім починає спада­ти. Найважливішим параметром, що визначає траєкторію радіохвилі в будь-якому середовищі, є коефіцієнт заломлення

, (12.14)

де - електронна концентрація, ел./см³, частота електромагнітної

Розіб'ємо іоносферний шар на ряд паралельних тонких шарів (рис. 12.3). При цьому будемо вважати, що в межах одного елементарного шару елект­ронна концентрація , отже, і показник заломлення , залишаються постійними, а від шару до шару п, змінюється на невелику величину . Оскільки, як було відзначено раніше, зі зростанням висоти електронна концентрація підвищується, можна записати:

. (12.15)

Перша цифра в нерівності (12.15) говорить про те, що нижче шару 1 на рис. 12.3 знаходиться неіонізований газ. Враховуючи співвідношення (12.14), нерівність (12.15) можна переписати у вигляді

. (12.16)

Нехай з області, що лежить нижче шару 1, на іоносферу падає під кутом електромагнітна хвиля. Як відомо, на межі розділу двох діелектриків відбувається її відбиття й заломлення. Заломлений промінь пов'язаний із падаючим променем законом синусів (законом Снелліуса). Застосувавши цей закон послідовно до меж розділу між шарами, отримаємо

. (12.17)

Оскільки промінь падає із середовища оптично більш густого на середо­вище оптично менш густе, з формул (12.16) та (12.17) дістаємо . Після ряду заломлень, як це видно з рис.12.3, кут стає рівним 90°, тобто відбувається повне внутрішнє відбиття. Тепер хвиля буде потрапляти із середовища оптично менш густого в сере­довище оптично більш густе, і кут буде зменшуватись. Якщо прийняти , то з порів­няння крайніх членів виразу (12.17) можемо записати умову повороту променя:

. (12.18)

Використовуючи співвід­ношення (12.14), вираз (12.18) можна перетворити до такого:

. (12.19)

З наведеного вище випливає, що відбиття електромагнітної хвилі від іоні­зованого шару можливе тільки в тому випадку, коли хвиля в процесі поширен­ня не досягла максимуму електронної концентрації. Якщо ж вона його пройш­ла, то кут буде не збільшуватись, а зменшуватись, і радіохвиля "проколе" шар (промені 1 і 2 на рис. 12.4). Найгірші умови відбиття будуть для хвилі, що вертикально падає на шар. У цьому випадку вираз (12.19) матиме вигляд

. (12.20)

З формули (12.20) випливає, що відбиття вертикально направленого променя визначається його частотою та електронною концентрацією шару. В разі зростання частоти електромагнітна хвиля все глибше проникає в шар і, врешті, пройшовши область максимуму електронної концентрації шару, вже не відбивається. Та найбільша частота електромагнітної хвилі, за якої ще можливе відбиття вертикально направленого променя від шару, отримала назву критичної частоти шару:

. (12.21)

Якщо використати вирази (12.19) - (12.21), можна отримати співвідно­шення, що названо законом секанса:

. (12.22)

Вираз (12.22) дає можливість вибрати робочу частоту радіолінії декамет­рового зв'язку. Знаючи відстань між кореспондентами й висоту області максимуму електронної концентрації шару, можна визначити кут падіння хвилі на іоносферу . За спеціальними так званими іоносферними картами знаходять значення . Максимальну частоту радіохвилі, що можна застосо­вувати на даній лінії зв'язку (.максимальна застосовувана частота - МЗЧ), обчислюють за формулою (12.22), підставляючи до неї значення та . Проте провадити роботу на МЗЧ не можна, оскільки найменші зміни елект­ронної концентрації в шарі призведуть до того, що відбиття хвилі не відбуде­ться і зв'язок порушиться. Тому робоча частота вибирається дещо ниж­чою за МЗЧ, але значно знижувати відносно МЗЧ не можна через те що поглинання енергії електромагнітної хвилі в іоносфері обернено пропорційне квадрату робочої частоти. До того ж найбільше поглинання відбувається в шарах D та Е, через які двічі проходять декаметрові хвилі - до і після відбиття. Тому вибравши на 15-20% нижче за МЗЧ, дістаємо оптимальну робочу частоту (ОРЧ).

Таким чином, для забезпечення радіозв'язку в діапазоні декаметрових хвиль необхідно виконати дві умови:

1) робоча частота має бути нижчою за максимальну, оскільки невико­нання цієї умови призведе до того, що хвиля не буде відбиватись від іонізо­ваного шару й ніяке підвищення потужності передавача та чутливості при­ймача не забезпечить надійний радіозв'язок;

2) робоча частота має бути не набагато менша за МЗЧ, щоб поглинання радіохвиль у шарах D та Е іоносфери не було надто великим.

Друга умова є менш жорсткою, ніж перша, через те що її невиконання можна скомпенсувати збільшенням потужності передавача.

Нагадаємо, що значення електронної концентрації в іоносфері визна­чаються сонячним випромінюванням, що змінюється протягом доби, тому декаметрові хвилі, які застосовуються для зв'язку на великі відстані, розбивають на три піддіапазони: денні (10-25 м); нічні (35-100 м); проміжні (25-35 м).

Поширення декаметрових хвиль крім розглянутих регулярних механізмів характеризується цілою низкою особливостей, що мають істотний вплив на організацію зв'язку в цьому діапазоні. Одна з головних - глибокі й швидкі завмирання. Оскільки зв'язок у цьому діапазоні, як указано раніше, ведеться за рахунок просторових хвиль, інтерференційні завмирання утворюються за схемою рис. 12.2, б. Для боротьби із завмираннями в діапазоні декаметрових хвиль використовують кілька методів, основним з яких є застосування розне­сених у просторі кількох приймальних антен із різними способами складання сигналів від кожної з них.

Для діапазону декаметрових хвиль характерне явище, яке не спостерігає­ться в інших діапазонах, - зона мовчання. Утворення цієї зони зображено на рис. 12.4. Як зазначено раніше, далекість поширення поверхневої хвилі обмежена точкою В. Промені 1, 2 надходять до іоносфери під такими мали­ми кутами, що відбиття не спостерігається. Промінь 3 падає на іоносферу під кутом , що відповідає закону секанса (12.22). Отже, промінь 3 - це перший промінь, що може відбитись від іоносфери при заданій (робочій) частоті. У разі збільшення кута (промінь 4) відбиття відбудеться тим паче. У зв'язку з цим в інтервалі відстаней від точки В до точки С відсутні як поверхнева, так і просторова хвилі. Отже, навколо радіопередавача утворюється зона, в якій приймання неможливе. Для зменшення зони мовчання треба знизити робочу частоту. В цьому випадку далекість дії поверхневої хвилі збільшиться й, відповідно до формули (12.22), кут зменшиться. Отже, відстань ВС зменшиться.

Метрові хвилі (МХ) використовуються для телебачення, високоякісного стереофонічного радіомовлення, для зв'язку з рухомими об'єктами, радіоло­кації.

Основні особливості поширення радіохвиль цього діапазону пов'язані з малою довжиною хвилі - від 1 до 10м. Дифракція навколо сферичної поверхні Землі практично не спостерігається. Мала довжина хвилі (а значить, висока частота) призводить до того, що електронної концентрації навіть у найбільш іонізованому шарі іоносфери недостатньо для відбит­тя МХ. Отже, поверхневих і просторових хвиль у цьому діапазоні немає. Поширення енергії здійснюється завдяки тропосферній хвилі в межах прямої видимості. Під далекістю прямої видимості розуміють відстань між приймальною та передавальною антенами, коли пряма, що їх з'єднує, дотична до поверхні Землі. Далекість поширення на відстань прямої види­мості, км,

,

де , - висоти розміщення передавальної та приймальної антен над по­верхнею Землі, м.

Напруженість поля в точці прийому в цьому діапазоні розраховується за формулами (12.3) та (12.7) при множнику ослаблення, що незначно залежить від параметрів конкретної траси. Поле в точці приймання тропосферної хвилі характеризується високою стабільністю як за амплітудою, так і за фазою, малим рівнем індустріальних та атмосферних завад. Усе це в комбінації з можливістю використання широкосмугових видів модуляції, наприклад ЧМ, забезпечує високу завадостійкість, а отже, й високу якість приймання МХ.

Метрові хвилі можуть поширюватись також за межі прямої видимості завдяки розсіюванню на неоднорідностях іоносфери, що містяться на висоті близько 100 км. Зв'язок можливий на відстань до 2000 км. Але під час поши­рення спостерігаються глибокі й швидкі завмирання, що значно погіршують якість приймання.

Оскільки МХ не відбиваються від іоносфери, вони можуть використову­ватись на лініях зв'язку типу Земля-Космос та навпаки. Однак досить велике ослаблення під час проходження МХ крізь іоносферу, незначна направле­ність антен, неможливість розміщення на космічному об'єкті передавача великої потужності призвели до обмеженого використання МХ у системах космічного зв'язку.

Дециметрові, сантиметрові та міліметрові хвилі. Дециметрові хвилі (ДЦХ) використовуються в телебаченні, радіолокації, радіорелейному та космічному зв'язку. Приблизно таке саме призначення, за винятком викорис­тання в системах телевізійного мовлення, мають хвилі сантиметрового (СМХ) та міліметрового (ММХ) діапазонів. Хвилі цих діапазонів від іоно­сфери не відбиваються і в ній. не розсіюються, практично не дифрагують, тому поширюються вони як прямі, а також завдяки тропосферній рефракції та розсіюванню на неоднорідностях тропосфери.

Дециметрові хвилі практично не поглинаються під час поширення в тропосфері. У діапазоні СМХ значне ослаблення сигналів спостерігається, коли на трасі поширення йде дощ. Це явище починає виявлятися для хвиль із см. Ще більше ослаблення вносить наявність туману для хвиль із см. Поширення ММХ крім погодних умов значною мірою визна­чається молекулярним поглинанням у газах, що входять до складу тропо­сфери, насамперед у водяних парах і в кисні. Цей тип поглинання пов'язаний із нагріванням речовини, іонізацією або збудженням атомів і молекул, фотохімічними процесами тощо. Молекулярне поглинання носить резонансний характер, тобто залежить від частоти електромагніт­ної хвилі, що поширюється в тропосфері. У діапазоні ММХ існують чотири області частот із відносно слабким поглинанням - так звані вікна прозорості: 1) 8,6 мм (коефіцієнт поглинання дБ/км); 2) 3 мм ( дБ/км); 3) 2 мм ( дБ/км); 4) 1,2 мм ( дБ/км). Але й такі значення є завеликими. Так, на трасі довжиною 50 км (а на такій відстані розміщуються ретрансляційні станції радіорелейного зв'язку) при дБ/км загальне ослаблення становитиме 35 дБ (досить велике значення).

Сильне молекулярне поглинання і повне припинення зв'язку в діапазоні ММХ під час дощу і туману обмежують застосування хвиль цього діапазону в наземних лініях зв'язку.

З особливостей поширення ДЦХ, СМХ і ММХ випливає, що всі вони можуть бути використані в системах космічного зв'язку. Проте на лініях Земля-Космос, як правило, використовують хвилі в діапазоні 4-10 ГГц (7,5-3 см), тому що в цьому разі забезпечується мінімальне поглинання під час поширення хвиль в іоносфері та відсутні інші небажані ефекти.

11.3. АНТЕНИ

Передавальна та приймальна антени. У §7.1 зазначалось, що джере­лами електромагнітних хвиль є струми, що змінюються за часом. Іншими словами можна сказати, що будь-який провідник, яким протікає змінний електричний струм, випромінює в навколишній простір енергію у вигляді електромагнітної хвилі, тобто є передавальною антеною. У точці приймання має розміщуватись приймальна антена, оскільки радіоприймальний пристрій не може безпосередньо сприймати електромагнітні хвилі. Отже, передаваль­на антена призначена для перетворення енергії струмів високої частоти в енергію електромагнітних хвиль, що вільно поширюються в оточуючому антену просторі. Приймальна антена призначена для зворотного перетворення.

Фізичний характер процесів, які відбуваються в антені, такий, що принци­пової різниці між роботою антени в режимах приймання й передавання немає. Ця властивість оберненості антен дає можливість використовувати одну й ту саму антену як передавальну або приймальну. Особливо характерним є таке використання антен для рухомих об'єктів, на яких завжди спостерігається дефіцит місця для їх розміщення. Крім того, основні параметри антен зберіга­ються у разі використання їх як для передавання, так і для приймання.

Характеристики антен. Виходячи з призначення антени, можна відзна­чити її подвійну позицію в загальній схемі радіотракту. Якщо розглядати передавальну антену, можна сказати, що, з одного боку, вона є навантажен­ням передавача або фідера, який з'єднує передавач з антеною, з іншого – джерелом електромагнітних хвиль. Тому всі параметри, що характеризують антену, поділяють на дві великі групи – радіотехнічні та електродинамічні. Наведемо основні з них.

Вхідний опір антени визначається струмом та напругою на вхід­них клемах антени:

Майже завжди він має активну й реактивну складові. Відомо, що для створення режиму біжучої хвилі у фідері (див. §8.2) необхідно, щоб опір навантаження цього фідера був чисто активним і дорівнював його хвильово­му опору. Отже, під час розроблення антенно-фідерного пристрою потрібно розв'язати дві задачі: скомпенсувати реактивну складову вхідного опору та трансформувати активну складову так, щоб вона дорівнювала хвильо­вому опору фідера.

Направленість антени - здатність випромінювати електромагнітні хвилі у визначених напрямках. Цю властивість антени визначають за характерис­тикою направленості, яка показує залежність інтенсивності випромінюваного антеною поля від напрямку на точку спостереження - , де кути і подають напрямок на точку спостереження. У зв'язку з тим, що - функція двох змінних, виникають труднощі при зображенні її на плоскому папері. На практиці частіше розглядають діаграму направленості (ДН) анте­ни, що являє собою лінію перетину характеристики направленості будь-якою площиною. Як січні площини звичайно вибирають горизонтальну та верти­кальну площини або площини розміщення векторів та випромінюваного поля. Для зображення ДН застосовують полярну (рис. 12.5, а) чи прямокутну (рис. 12.5, 6) системи координат. Якщо ДН широка, тобто антена слабконапрямлена, застосовують полярну систему, а для вузьких ДН - декартову.

Шириною діаграми направленості називають кут (рис. 12.5, б), у межах якого напруженість поля випромінювання зменшується в раза порівняно з напруженістю в напрямку максимального випромінювання.

Коефіцієнт направленої дії (КНД) показує, наскільки антена концентрує випромінювану енергію в одному напрямку - на кореспондента. Для цього поле , що утворюється в напрямку , реальною антеною, порівнює­ться з полем абсолютно ненаправленої (ізотропної) антени, яка випромі­нює ту саму потужність, що й реальна антена:

для .

Випромінювана потужність - потужність електромагнітних хвиль, що випромінюється антеною у вільний простір. Її можна обчислити через активний опір, що називається опором випромінювання :

де - ефективне значення струму на вході антени.

Потужність втрат - потужність, що даремно тратиться в антені, у землі та предметах поблизу антени.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) антени

.

Коефіцієнт підсилення антени розраховується як добуток КНД анте­ни на її ККД, тобто

.

Він подає повну числову характеристику антени: враховує концентрацію енергії в повному напрямку й зменшення випромінювання внаслідок втрат потужності.

Робочий діапазон антени - діапазон хвиль , у межах якого пе­вні характеристики (параметри) антени не виходять із заданих меж. Такими характеристиками найчастіше є КБХ у фідері живлення та незмінність у просторі максимуму випромінювання.

Лінійні антени, їх ще називають дротовими або вібраторними, являють собою тонкий (порівняно з довжиною хвилі) провідник, в якому збуджено високочастотний електричний струм. Принцип роботи таких антен досить простий. Як відомо (див. §7.1), випромінювати електромагнітне поле може будь-який провідник зі струмом, у тому числі й двопроводова лінія. Однак у разі розміщення проводів лінії паралельно й близько один біля другого їх поля протифазні й взаємно компенсуються. Значного випромінювання енергії в навколишній простір не відбувається. Якщо усунути компенсуючу дію полів проводів, то такі проводи вже будуть антенами. Для цього, наприк­лад, проводи розхиляють на деякий кут і при цьому дістають симет­ричні антени (рис. 12.6): V -подібну, ромбічну, симетричний вібратор та ін. Вилучивши один провід із системи, отримуємо несиметричні антени: верти­кальний штир, T -подібну (рис. 12.7), Г -подібну та ін. Використовуються вони в широкому діапазоні хвиль від найдовших до СМХ. Головна особливість – слабка направленість. Так, найбільший КНД, що можна отримати від симет­ричного вібратора, дорівнює 3,2.

Антенні ґрати складаються з великого числа однотипних випромінювачів, що певним чином розміщені в просторі й збуджуються від одного генератора або кількох когерентних. Багатоканальність пристрою забезпечує можливість керування амплітудами й фазами струмів окремих елементів фат, а в результа­ті - керування ДН усієї системи. Крім того, на базі антенних фат будуються системи з просторово-часовою обробкою сигналів, що значною мірою розши­рює функціональні можливості антенно-фідерних пристроїв. Антенні фати практично можна використовувати в будь-якому діапазоні хвиль, проте потріб­но враховувати їх значну складність і велику вартість.

Поиск по сайту: