Вопрос 2. Особенности распространения электромагнитных волн в выделенном диапазоне частот в различных условиях

Общие свойства радиоволн. Распространение радиоволн в свободном пространстве зависит от свойств поверхности Земли и свойств атмосферы. Условия распространения радиоволн вдоль поверхности Земли в значительной мере зависят от рельефа мест­ности, электрических параметров земной поверхности и длины волны. Радиоволнам, как и другим волнам, свойственна дифракция, т.е. явление огибания волнами препятствий. Наиболее сильно дифракция сказывается в случае, когда геометрические размеры препятствий соизмеримы с длиной волны. Радиоволны, распро­страняющиеся у поверхности Земли и частично за счет дифракции огибающие выпуклость земного шара, называются земными, или поверхностными, радиоволнами.

Атмосферу Земли нельзя считать однородной средой. Давление, плотность, влажность, диэлектрическая проницаемость и другие параметры в разных объемах воздушного слоя имеют различные значения. По этим причинам скорости распространения в различ­ных объемах неодинаковы и зависят от длины волны. Траектория радиоволн в атмосфере искривляется. Явление искривления или преломления радиоволн при распространении их в неоднородной среде получило название рефракции.

Радиоволны, распространяющиеся на большой высоте в атмо­сфере и возвращающиеся на Землю вследствие искривления тра­ектории, рассеяния или отражения от атмосферных неоднородностей, называются пространственными, или ионосферными. В точку приема могут приходить как пространственная, так и земная волны от одного и того же источника. Если фазы колебаний этих волн совпадают, то амплитуда суммарного поля возрастает, и наоборот, - при сдвиге фазы волн на 180° суммарное поле ослаб­ляется и может стать равным нулю. Указанное явление называется интерференцией.

Влияние Земли и атмосферы на распространение радио­волн. Атмосферой называется газообразная оболочка Земли, простирающаяся на высоту более 1000 км. С точки зрения распро­странения радиоволн атмосферу Земли разделяют на три области, обладающие определенными отражающими и поглощающими свойствами: тропосферу (простирающуюся от поверхности Земли до высоты 10... 15 км); стратосферу (ограниченную снизу тропо­сферой, а сверху высотой примерно 60...80 км) и ионосферу (ле­жащую за пределами стратосферы вплоть до высот 15...20 тыс. км), представляющую ионизированный воздушный слой малой плотно­сти над стратосферой и переходящий затем в радиационные пояса Земли.

Под влиянием лучей Солнца, космических лучей и других факто­ров воздух ионизируется, т.е. часть атомов газов, входящих в со­став воздуха, распадается на свободные электроны и положитель­ные ионы. Ионизированный воздух оказывает сильное влияние на распространение радиоволн.

Как известно, воздух не вызывает ослабления радиоволн прак­тически во всех диапазонах частот и, казалось бы, поэтому земная волна должна распространяться без поглощения. Однако это верно лишь в том случае, если земная волна проходит высоко над по­верхностью Земли. Если же радиоволны проходят вблизи от по­верхности Земли, то часть энергии волны отклоняется в землю. Происходит это потому, что скорость распространения радиоволн в земле меньше, чем в воздухе, и при движении их вдоль поверхно­сти Земли нижний край волны отстает от верхнего, фронт волны наклоняется и помимо движения вдоль поверхности Земли проис­ходит ее распространение сверху вниз.

Если бы поверхностный слой Земли был идеально проводящим, радиоволны отражались бы от него без потерь, т.е. поверхностный слой Земли в этом случае был бы экраном, препятствующим про­хождению волн в глубь почвы. В реальных условиях поверхностный слой Земли не является ни идеальным проводником, ни идеальным изолятором. Радиоволны, попавшие в этот слой, возбуждают в нем переменные электрические токи, которые часть своей энергии расходуют на нагрев почвы. Величина потерь энергии в поверхно­стном слое Земли сильно зависит от частоты радиоволн и сопротивления почвы электрическому току. В почве с увеличением часто­ты радиоволн величина индицируемой ЭДС возрастает и соответ­ственно увеличиваются токи поверхностного слоя Земли, которые создают электромагнитное поле обратного направления. Поэтому дальность распространения поверхностных волн очень быстро уменьшается с увеличением частоты.

При уменьшении проводимости грунта радиоволны глубже про­никают в почву и, следовательно, возрастает их поглощение. Кроме того, с ростом частоты ухудшаются условия огибания (дифракции) радиоволнами препятствий.

Для построения многоканальных радиосистем передачи и систем подвижной радиосвязи в основном используются ультракороткие волны (УКВ) или радиоволны очень высоких (ОВЧ) и ультравысоких (УВЧ) частот, а также радиоволны сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот (см. табл. 1).

Этот диапазон радиоволн является наиболее широко исполь­зуемым участком радиодиапазона. Большая частотная емкость этого диапазона и ограниченный пределами прямой видимости радиус действия позволяют разместить большое число одновре­менно работающих станций и осуществлять передачу информации в широкой полосе частот. Этот участок радиодиапазона позволяет одновременно передавать большое число телевизионных про­грамм, организовать тысячи телефонных каналов аналоговых и цифровых систем передачи. Диапазон широко используется для радиолокации, радионавигации, связи с искусственными спутниками Земли. Диапазоны ОВЧ и УВЧ широко используются в основном для телевидения, радиовещания и радиосвязи с подвижными объекта­ми. Диапазоны СВЧ и КВЧ отведены для различных видов многока­нальной связи.

Распространение ультракоротких волн. Радиоволны этого диапазона распространяются в основном по прямолинейным траекториям, и для них практически не свойственна дифракция, они слабо отражаются от тропосферы, не испытывают регулярных отражений от ионосферы, уходя в космическое про­странство.

Радиус действия систем передачи, работающих в этих диапазо­нах, ограничен в основном пределами прямой (оптической) видимо­сти между передающей и приемной антеннами.

Незначительная дифракция радиоволн (огибание сферической поверхности Земли у горизонта) и слабая рефракция (отклонение направления распространения радиоволн от прямолинейного) в нижних слоях тропосферы несколько увеличивают расстояние радиовидимости (примерно на 15 %), которое рассчитывается по формуле

. (5)

Таким образом, если высота подвеса антенн h₁ = h₂ = 25 м, то расстояние радиовидимости составит 41,2 км. Для осуществления связи на большие расстояния необходимо между пунктами А и Б устанавливать промежуточные станции (или ретрансляторы) либо поднимать антенны на большие высоты. Первый принцип использу­ется в радиорелейных системах передачи, где станции располага­ются на расстоянии 50...70 км. Для увеличения зоны обслуживания телевизионного вещания используются антенны, расположенные на башнях большой высоты.

Связь в пределах радиовидимости характеризуется возможно­стью одновременного прихода в точку приема не только прямой волны, но и волны, отраженной от земной поверхности (рис.8). Рисунок построен в предположении, что расстояние между антен­нами не превышает R < 0,2R₀, (R₀ – радиус Земли), когда сферичностью поверхности Земли можно пренебречь и считать ее плоской.

Как следует из рис.8, в точке А на высоте h₁ над Землей распо­ложена передающая антенна, а в точке Б на высоте h₂ - приемная. Расстояние между антеннами равно R.

Рисунок 9. Двулучевая модель распространения радиоволн

В точку Б приходят две волны: прямая (1) и отраженная от зем­ной поверхности в точке С (2). В точке приема имеет место явление интерференции прямой и отраженной волн. Фазовый сдвиг между прямой и отраженной волнами равен

,

где к уже известным обозначениям добавились новые: λ - длина радиоволны и φ_с - фазовый сдвиг при отражении волны от земной поверхности в точке С.

При изменении любой из величин h₁, h₂ или R, определяющих разность хода прямой (1) и отраженной (2) волн, изменяются усло­вия их интерференции, и напряженность поля приемной антенны будет иметь резко осциллирующий характер, при котором имеют место интерференционные максимумы и минимумы.

Интерференционные максимумы появляются при условии, что прямая и отраженная волны приходят в точку приема с одинаковы­ми фазами, т.е.

,

и, следовательно, происходит как бы усиление напряженности поля в точке приема.

Если прямая и отраженная волны приходят в точку приема в противофазе, т.е.

,

то имеют место интерференционные минимумы и, следовательно, происходит ослабление напряженности поля в точке приема.

Если расстояние между передающей и приемной антеннами R > 0,2 R₀, то следует учитывать сферичность земной поверхности. Она проявляется в уменьшении разности хода прямой и отражен­ной волн, а также в расходимости отраженной волны.

Для учета влияния сферичности на разность хода вместо истин­ных высот антенн h₁ и h_г вводятся приведенные высоты, опреде­ляемые как высоты антенн над плоскостью, касательной к поверх­ности Земли в точке отражения С.

Расходимость волны при отражении ее от сферической поверх­ности проявляется в увеличении телесного угла отраженной волны по сравнению с телесным углом падающей волны. При этом плот­ность потока мощности отраженной волны уменьшается по сравне­нию со случаем отражения волны от плоской поверхности.

Интерференционные явления могут быть сведены до минимума оптимальным подбором высот антенн, расстояний между ними и длиной волны.