Распространение радиосигналов

Ранее было отмечено, что радиоволны с разными распространяются в

атмосфере (т.е. в основной зоне действия авиационных радиосистем) неодинаковым образом. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Прежде всего дадим краткое описание эффектов, происходящих с радиоволнами в двух наиболее значимых областях атмосферы – в тропосфере и ионосфере.

А. Влияние тропосферы на распространение радиоволн.

Тропосферой называется нижняя часть атмосферы, прилегающая к земной поверхности. Верхняя граница тропосферы располагается на высотах до 10 км над полярными широтами и до 18 км над зоной тропиков. В тропосфере, сильно насыщенной водяными парами (за счет испарения с поверхностей морей и океанов), сосредоточена основная масса (около 80%) всей атмосферы.

Поскольку тропосферная область неоднородна (концентрация водяных паров обычно резко падает с высотой h, изменяя относительную диэлектрическую проницаемость среды, а следовательно, и коэффициент преломления

n = ), это обстоятельство вызывает искривление (рефракцию) траектории радиоволн.

В традиционном случае, когда градиент постоянен по всей толще тропосферы и состовляет величину 4 , радиоволна начинает отклоняться в сторону земной поверхности (положительная рефракция – луч 1 на рис. 1.8) с радиусом кривизны Rкрив = .

Для нормальной тропосферы Rкрив равен 25000 км. Такой вид рефракции увеличивает дальность действия радиопередающих устройств и повышает напряженность электромагнитного поля в точке расположения радиоприемных устройств.

Однако, под влиянием различных метеорологических факторов тропосфера из нормальной может превратиться в обладающую аномальными свойствами – если произойдет выравнивание коэффициента преломления по высоте , то рефракция будет отсутствовать (луч 2 на рис. 1.8), а если показатель преломления будет возрастать с высотой , то радиоволна будет иметь траекторию, обращенную выпуклостью в сторону земли (отрицательная рефракция – луч 3 на рис. 1.8). Обе эти ситуации являются нежелательными в практике авиационных радиосистем, так как в этих случаях радиосигнал в точке приема ослабляется, либо вообще отсутствует.

Наконец, еще одним рефракционным эффектом является сверхрефракция (рис. 1.9), при которой радиоволны, излученные под некоторым углом возвышения, испытывают в нижних слоях тропосферы полное внутреннее отражение и возвращаются на землю, от которой вновь переотражаются, и т.д. Сверхрефракция, наблюдаемая, в основном, на дециметровых волнах (на радиотрассах, проходящих над морской поверхностью, или над сушей во время устойчивой ясной погоды), приводит к резкому повышению дальности действия радиосистемы (много больше пределов прямой видимости), однако, в силу своей случайности оказывается эффектом нерегулярным.

Вторым, после рефракции, явлением, имеющим место в тропосфере, является поглощение радиоволн.

Длинные, средние и короткие радиоволны в тропосфере почти не ослабляются. Поглощение становится заметным для радиоволн, у которых 10 см. При этом часть электромагнитной энергии затрачивается на превращение в тепло (нагреваются газы тропосферы, кислород и водяные пары, а также гидрометеоры – снег и капельные образования дождя, тумана и града), а другая часть рассеивается гидрометеорами и твердыми частицами (пыль, дым) в разные стороны.

Эффект тропосферного рассеивания сантиметровых радиоволн на достаточно протяженных и в известной степени стабильных слоистых неоднородностях (гидрометеообразованиях), а также на мелкомасштабных неоднородностях турбулентного происхождения – этот эффект привел к повышению дальности действия авиационных радиосистем за пределы прямой видимости (это поясняется на рис. 1.10.).

Антенна А1 радиопередающего устройства излучает сантиметровые радиоволны в направлении протяженной слоистой тропосферной неоднородности, которая отражает (рассеивает) эти радиоволны в разные (по причине внутренней неупорядоченности) стороны – в том числе и на А2 антенну радиоприемного устройства. Так возникает радиоканал между А1 и А2, обусловливающий дальнюю тропосферную связь.

Вместе с тем, радиоволны при дальнем тропосферном распространении подвержены отрицательному эффекту замирания, то есть глубокому (в одних случаях быстрому, в других – медленному) изменению уровня радиосигнала в точке приема. Для ослабления эффекта замирания обычно используют прием не на одну, а на две разнесенных в пространстве (на расстояние порядка 100 ) антенны, расположенных на перпендикуляре к направлению распространения радиосигнала, то есть учитывают пространственную избирательность замираний.

Б. Влияние ионосферы на распространение радиоволн.

Ионосферой называют верхнюю часть атмосферы, располагающуюся на высотах от 60 до 20000 км и насыщенную газом, который частично или полностью находится в состоянии ионизации. Это означает, что ионосфера имеет огромное содержание свободных электронов и ионов, обязанных своим происхождением ультрафиолетовому и рентгеновскому излучениям Солнца, а также потокам солнечных и космических заряженных частиц, падающих извне на ионосферу.

Однако, наряду с ионизацией (в основном, над освещенной солнцем частью земного шара) происходит и обратный процесс – рекомбинация электронов и положительных ионов в нейтральные атомы и молекулы. Особенно энергично рекомбинация развивается после прекращения действия источника ионизации – после захода Солнца, например. Поэтому, в целом, ионосфера является квазинейтральной, хотя концентрация электронов на разных высотах оказывается различной (максимальная концентрация приходится на высоты от 100 до 1000 км).

Сказанное означает, что относительная диэлектрическая проницаемость

ионосферы изменяется с высотой, а следовательно, переменным оказывается и коэффициент преломления n = . Поскольку для ионосферы 1 (меньше, чем для вакуума), то возможна ситуация, когда с увеличением высоты значение последовательно становится равным нулю, а затем и отрицательным числом – в этом случае радиоволна, последовательно преломляясь на различных участках ионосферы, в конце концов отражается от нее.

На рис. 1.11. изображена траектория радиоволны для этого случая. Поскольку с ростом высоты значение падает (концентрация электронов растет), то при каждом переходе радиоволны из -го слоя (оптически более плотного) в ( +1)-й слой (оптически менее плотный) очередной угол преломления оказывается больше, чем угол падения, и наконец, наступает момент, когда угол преломления может оказаться равным (или больше) 90 , после чего радиоволна начнет распространяться в обратном направлении (в сторону земли). Угол падения в этом случае может быть вычислен из формулы Снеллиуса:

Поскольку =1, то

, (1.9)

где: - концентрация электронов в - слое;

- частота радиоволны.

Из совместного анализа уравнения (1.9) и описанной ситуации, в частности, следует, что если частоту увеличить, то отражение радиоволны произойдет от

слоя с более высокой концентрацией свободных электронов. Расстояние от радиопередающего устройства до точки приема на земной поверхности возрастет, хотя угол не изменился. Наконец, если частоту повысить еще больше, то отражения радиоволны от очередного слоя уже не произойдет, и для такой радиоволны этот слой ионосферы станет прозрачным (радиоволна может устремиться в космическое пространство). Подводя итог данному рассмотрению, можно сделать вывод о том, что для радиоволн одной частоты (КВ диапазон) ионосфера оказывается своеобразным зеркалом, позволяющим резко повысить дальность действия радиосистемы, тогда как для других радиоволн (УКВ диапазон) появляется возможность радиосвязи с космическими летательными аппаратами (рис. 1.12).

Как отмечалось выше, тропосфера и ионосфера являются наиболее значимыми (с позиции особенностей прохождения радиоволн) областями атмосферы. Промежуточная (между тропосферой и ионосферой) атмосферная область, называемая стратосферой (до высот порядка 60 км), оказывает слабое влияние на распространение радиоволн, поскольку обладает сравнительно малой плотностью воздуха (ниже, чем в тропосфере) и весьма небольшой концентрацией свободных электронов и ионов (много меньше, чем в ионосфере) – в силу этих причин стратосфера полагается зоной прозрачности для радиоволн.

Таковы, вкратце, основные особенности распространения радиоволн в атмосфере.

Обратимся к другому вопросу. Рассмотрим подиапазонное прохождение радиоволн в околоземном пространстве.

а) инфранизкие радиоволны;

Источником данных радиоволн являются достаточно продолжительные

(около 100 мксек) молниевые разряды, а распространение этих радиоволн происходит вдоль силовых линий постоянного магнитного поля Земли (от северного магнитного полюса Земли к южному), в связи с чем указанные радиоволны могут сначала удаляться от Земли на большие расстояния (до 10 земных радиусов),а затем возвращаться назад. Этот эффект наиболее ярко проявляет себя для молний, возникающих в северных приполярных широтах.

В практике авиационных радиосистем, как отмечалось ранее, радиоволны данного типа не используются.

б) сверхдлинные и длинные радиоволны;

Указанные радиоволны распространяются внутри так называемого «сферического волновода» (то есть путем последовательных отражений между поверхностью Земли и нижними слоями ионосферы), что позволяет им огибать Землю – по этой причине они используются в радиосистемах дальней навигации (в частности, в фазовых навигационных радиосистемах).

Отметим, что суммарные флуктуации электромагнитного поля отмеченных радиоволн сравнительно невелики (10-30%) и происходят под действием природных факторов (восход и закат Солнца, время года, 11-летний период солнечной активности, и др.). Радиоприем данных радиоволн достаточно устойчив.

в) средние радиоволны;

Особенностью прохождения средних радиоволн является то обстоятельство, что они могут распространяться не только поверхностным лучом (луч 1 на рис. 1.13), но также и отражаться от ионосферы (луч 2 на рис. 1.13).

Отражение средних радиоволн от ионосферы происходит на значительно больших высотах, чем отражение сверхдлинных и длинных радиоволн, а именно от тех ионосферных слоев, где концентрация свободных электронов существенно повышена (к примеру, пологий луч радиоволны с = 300кГц требует электронной концентрации 40 см , что соответствует высоте порядка 60 км, а тот же луч частоты = 3МГц – концентрации 3,6 , что характерно для высот уже около 80 км). Наличие ионосферных отражений приводит к интерференции (наложению) поверхностного и пространственного лучей в точке приема.

Если указанные лучи в точке их приема наложатся друг на друга в фазе, то принимаемый сигнал усилится, если в противофазе – сигнал ослабнет. Когда же разность фаз лучей начнет изменяться (например, под влиянием хаотических пульсаций ионизированного газа в ионосфере), то принимаемый сигнал станет флуктуировать случайным образом. Иначе говоря, наличие двух лучей в точке приема ведет, вообще говоря, к нежелательному явлению – к замиранию (федингу) сигнала.

Существует, однако, природный фактор, при котором замирания сигнала оказываются незначительными. В дневные часы радиоволны среднего диапазона (с от 200 до 2000 м) испытывают столь сильное поглощение в ионосфере, что пространственный луч практически исчезает, и радиоприем ведется исключительно по поверхностному лучу.

Возможен, однако, и вариант, когда в силу удаленности точки приема поверхностный луч оказывается уже не в состоянии следовать профилю Земли – в этом случае радиоприем происходит только по пространственному лучу, отраженному от ионосферы.

К сожалению, явление замирания сигнала проявляет себя и в этом варианте. Это случается, когда в точку приема приходят два пространственных луча (луч 1 и луч 2 – рис. 1.14), претерпевших различное количество отражений от ионосферы. Одним из средств борьбы с замираниеми сигнала является использование специальных (антифединговых) антенн, обладающих пространственной избирательностью (то есть тех, которые имеют узкие диаграммы направленности).

г) короткие радиоволны;

Радиоволны данного типа сильно поглощаются в полупроводящей земной поверхности – поэтому дальность действия радиосистем, использующих поверхностный коротковолновый луч, сравнительно невелика (не более нескольких десятков километров).

Если же радиосистема перейдет к работе не с поверхностным, а с пространственным (однократно или многократно отраженным от ионосферы) лучом, то дальность действия такой радиосистемы возрастет. Тот же эффект повышения дальности действия возникнет при увеличении рабочей частоты радиосистемы (в пределах, когда излученный радиосигнал еще не отражается от ионосферных слоев). Это обстоятельство объясняется тем фактом, что с ростом частоты поглощение в ионосфере (и без того небольшое для радиоволн указанного диапазона) падает – в отличие, кстати говоря, от поглощения в Земле.

Следует отметить, что операторы, используя радиосистемы, ориентированные на большую дальность действия, в разное время суток задают, в качестве излучаемых, радиоволны с различными : днем применяются радиоволны с от 10м до 25м, в ночные часы - от 35м до 100м, а при полуосвещенности – от 25м до 35м.

Флуктуации (замирания) радиосигнала в точке приема обусловлены интерференцией двух (рис. 1.14) и более пространственных лучей и имеют достаточно беспорядочный (из-за непрерывных изменений высоты отражающего слоя ионосферы, соизмеримых с ) характер.

Другим недостатком, имеющим место при работе на коротких радиоволнах, является наличие так называемых «зон молчания» вокруг данной радиосистемы (участок АБВ на рис. 1.15).

Дело в том, что короткие радиоволны достаточно сильно поглощаются в земной поверхности, и оттого поверхностный луч обладает невысокой энергетикой в точке приема, а радиосистема, соответственно, - невысокой дальностью действия; пространственные же лучи (1 и 2 на рис. 1.15), направленные в ионосферу почти перпендикулярно к ее слоям, пробивают эти слои и уходят в космическое пространство. Так возникает своеобразный парадокс – радиоприемное устройство по мере удаления (по земной поверхности) от радиопередающего устройства сначала принимает все более ослабляющийся радиосигнал, затем полностью теряет его, а потом прием полностью восстанавлявается.

Наконец, при использовании коротких радиоволн может возникнуть эффект так называемого «кругосветного радиоэха» (рис. 1.16).

В этом случае радиосигнал, излученный антенной А, приходит в точку приема Б двумя путями: кратчайшим (луч 1) и более длинным (луч 2). Если расстояние между точками А и Б по короткой дуге земной поверхности меньше, чем 20 000 км, то в точке Б один и тот же радиосигнал будет принят дважды (подобно эху). Эксперименты показывают, что время затрачиваемое радиосигналом на огибание земного шара, отличается достаточным постоянством – оно изменяется от 0,13760 сек до 0,13805 сек. Эффект кругосветного радиоэха не относится к полезным явлениям. Средствами борьбы с этим эффектом являются как подбор рабочих длин волн , так и использование антенн с пространственной избирательностью (т.е. узконаправленных).

д) метровые радиоволны;

Метровые радиоволны слабо огибают земную поверхность, и поэтому дальность их распространения поверхностным лучом лишь немногим больше, чем дальность прямой видимости. Что касается пространственного луча, то в диапазоне метровых радиоволн существует явление рассеяния электромагнитной волны – как на локальных неоднородностях тропосферы, так и в нижних слоях ионосферы (в областях неоднородностей концентраций электронного газа). Благодаря такому рассеянию дальность распространения метровых радиоволн в этом случае достигает интервала 800 – 2000 км (процесс аналогичен представленному на рис. 1.10). При этом с ростом частоты радиоволны рассеяние ослабляется, и по этой причине эффект ионосферного рассеяния приобретает значение лишь для метровых радиоволн, имеющих 5 м.

Традиционным явлением для пространственных метровых радиоволн является медленное замирание. Однако, с ростом значения геомагнитной широты уровень принимаемого радиосигнала (при прочих равных условиях) возрастает. К тому же ионосферные возмущения, сопровождающие мировые магнитные бури, на процессы рассеяния метровых радиоволн не влияют. А возникающее ослабление радиосигнала может быть скомпенсировано как повышением мощности радиопередающего устройства, так и применением антенн, обладающих пространственной селекцией (острой направленностью).

Специфической особенностью распространения метровых радиоволн является отражение их от ионизированных следов метеоров. Дело в том, что в земную атмосферу весьма часто (до сотен миллиардов появлений за сутки) вторгаются отдельные метеоры и метеорные потоки. Достигая плотных слоев атмосферы (высоты от 80 км до 120 км), частицы твердого вещества раскаляются и, в конечном итоге, сгорают, а электроны, испускаемые раскаленным телом, ионизируют окружающий воздух, оставляя за летящим метеором след в виде канала ионизированного воздуха с протяженностью до 25 км и начальным диаметром не более 10 см.

Отражение метровых радиоволн от таких только что сформированных ионизированных участков носит ярко выраженный зеркальный характер. Это означает, что данный эффект может быть использован для целей дальней радиосвязи. Однако, поскольку длительность существования указанных следов ограничена (от 0,1 сек до 100 сек), то радиосвязь, осуществляемая таким образом, носит прерывистый характер. Поэтому в радиосистемах, ориентированных на подобный вид связи, информация сначала (в ожидании метеорного потока) накапливается, а затем (при метеорной вспышке) передается на частотах от 30 до 50 МГц в ускоренном режиме. Подчеркнем еще раз, что радиосвязь за счет отражений от ионизированных следов метеоров возможна только в метровом диапазоне радиоволн.

е) дециметровые и сантиметровые радиоволны;

Радиоволны дециметрового и сантиметрового диапазонов в ионизированных слоях атмосферы почти не преломляются и не рассеиваются, а легко пронизывают ионосферу и уходят в космическое пространство. Благодаря этой особенности радиоволны указанного диапазона используются для связи с космическими летательными аппаратами.

Что касается авиационных радиосистем, то связь между ними осуществляется как в пределах прямой видимости (дециметровые и сантиметровые радиоволны слабо дифрагируют вокруг поверхности Земли) на небольшие расстояния, так и на значительные расстояния (за счет рассеяния на тропосферных неоднородностях).

ж) миллиметровые радиоволны;

В тропосфере миллиметровые радиоволны испытывают как рефракцию (искривление траектории распространения), так и сильное поглощение гидрометеорами (снег, дождь, град, туман и т.п.). Существует, правда, четыре области значений (1,2 мм; 2 мм;3 мм; 8,6 мм) в окрестностях которых поглощение данных радиоволн сравнительно невелико, и которые называются «окнами прозрачности» тропосферы (для указанных радиоволн), но общей картины это обстоятельство практически не меняет – миллиметровые волны используются, в основном, лишь для связи между наземными узлами авиационных радиосистем (поверхностным лучом), да и то в ограниченном числе случаев.

Зато радиоволны миллиметрового диапазона находят широкое применение для связи между космическими (находящимися вне тропосферы) летательными аппаратами, поскольку ионосфера совершенно не влияет на условия распространеия миллиметровых радиоволн.

з) оптические радиоволны;

Радиоволны оптического диапазона могут распространяться только в виде поверхностных лучей, причем на небольшие расстояния (до 20 км – при отсутствии осадков). Наличие осадков резко снижает дальность их распространения в тропосфере, и в практике авиационных радиосистем оптические радиоволны используются крайне редко. Зато в полной мере радиоволны данного диапазона применяются для космической связи.

Поиск по сайту: