Особенности распространения радиоволн метрового -миллиметрового диапазонов

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 неоднородно-стей, 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), представляющая 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 позволяет 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. К ультракоротким волнам (УКВ) в соответствии с Международным регламентом радиосвязи относятся волны короче 10 м, охватывающие два диа­пазона: от 30 до 300 МГц (10... 1 м - метровые) и от 300 до 3000 МГц (1 ...0,1 м - дециметровые волны).

Радиоволны этого диапазона распространяются в основном по прямолинейным траекториям и для них практически не свойственна дифракция и слабо отражаются от тропосферы, они 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 (рис. 8).

Рис. 8. К определению расстояния радиовидимости

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

(5)

где /₀ - расстояние радиовидимости, км; h₁ и h₂ - высоты подвеса передающей и приемной антенн, м. Радиовидимость не путать с прямой видимостью антенн.

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. 9); рисунок построен в предположении, что расстояние между антен­нами не превышает I < 0,2/₀, когда сферичностью поверхности Земли можно пренебречь и считать ее плоской.

Как следует из рис. 9 в точке А на высоте h₁ над Землей распо­ложена передающая антенна, а в точке Б на высоте h₂ - приемная. Расстояние между антеннами равно /.

Рис. 9. Двулучевая модель распространения радиоволн в ОВЧ и УВЧ диапазонах

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: Л - длина радиоволны и ( - фазовый сдвиг при отражении волны от земной поверхности в точке С.

При изменении любой из величин h₁ h₂ или /, 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 / > 0,2 /₀, 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 h₂ 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 длины волны.

Особенности распространения радиоволн сантиметрово­го и миллиметрового диапазонов или сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот. Такие радиоволны распространя­ются от источника излучения к месту приема подобно волнам света - в виде прямолинейных лучей. Необходимым условием для рас­пространения таких радиоволн является отсутствие на их пути экранирующих (затеняющих) препятствий. Связано это с тем, что эти радиоволны обладают крайне слабой способностью дифраги­ровать на препятствия (огибать препятствия). Считается, что радиус действия технических средств СВЧ и КВЧ диапазонов ограничива­ется расстоянием прямой видимости (не путать с прямой радио­видимостью).

Другими словами, передающая и приемная антенны должны на­ходиться на одной прямой - «видеть» друг друга. На наземных линиях радиосвязи расстояние прямой видимости определяется высотой подвеса передающей и приемных антенн и обычно не превышает 40...60 км. Однако это обстоятельство не мешает стро­ить наземные линии радиосвязи протяженностью сотни и тысячи километров. В этом случае, как отмечалось выше, используется принцип последовательной ретрансляции сигналов (см. рис. 6) Так строятся радиорелейные линии связи прямой видимости.

Радиоволны нижней части СВЧ диапазона (до 3...5 ГГц) облада­ют свойством рассеяния на неоднородностях тропосферы - нижней части атмосферы Земли (от нескольких сотен метров до 10..12 км). В ней всегда есть локальные объемные неоднородности, вызван­ные различными физическими процессами. Эти неоднородности обладают свойством переизлучения радиоволн, падающих на них. Энергия переизлучения волн может улавливаться приемной антен­ной, находящейся далеко за пределами прямой видимости. Меха­низм тропосферного рассеяния радиоволн называют дальним тропосферным распространением радиоволн, позволяющим создавать так называемые тропосферные радиорелейные линии с расстоянием между станциями передачи и приема 300...500 км.

Для рассматриваемых диапазонов также характерно явление ин­терференции радиоволн прямых, идущих к месту приема непосред­ственно от источника излучения, и отраженных от тех или иных объектов (поверхности Земли, зданий и т. п.).

На распространение радиоволн СВЧ и КВЧ диапазонов заметное влияние оказывают метеорологические процессы, происходящие вдоль трассы радиолинии: дождь, снег, туман. Считается, что эти влияния тем сильнее, чем выше частота (короче длина волны).