Файл: Введение в системы радиосвязи и радиодоступа.pdf

6.2 Физические характеристики среды распространения радиоволн
59
ного имеет ту же природу, что и преломление световых волн при прохождении светом оптических сред с различными показателями преломления.
Искривление направления распространения радиоволн обусловлено изменени- ем параметров среды распространения (в ионосфере — это изменение концентра- ции ионизированного газа) и зависит, в том числе, от высоты над поверхностью
Земли. Показатели преломления ионосферы изменяются с высотой таким образом,
что направление распространения радиоволн искривляется в сторону Земли. Такое явление называется нормальной рефракцией. Нередко это искривление становится настолько значительным, что излученные с поверхности Земли радиоволны воз- вращаются обратно на Землю.
Характеристики искривления направления радиоволн в существенной степени зависят от длины распространяемой волны. Чем короче длина волны, тем мень- ше степень преломления направления радиоволн. С ростом частоты преломление радиоволн сказывается все в меньшей степени, очень короткие волны проходят сквозь атмосферу и продолжают распространяться в космическом пространстве.
Диапазон радиоволн, способных преодолевать ионосферу, используется в системах космической и спутниковой связи. На рисунке 6.2 приведены траектории распро- странения радиоволн, используемых для космической связи с частотой f
1
и назем- ной связи с частотой f
2
Рис. 6.2 – Преломление радиоволн при разных длинах волн
Величина изменения направления распространения радиоволн зависит также от угла падения радиоволн на ионизированный слой. Чем меньше угол падения радиоволн на ионизированный слой, тем меньше он испытывает изменение на- правления распространения волны в этом слое. На рисунке 6.3 приведены траек- тории лучей 1 с углом падения на ионизирующий слой, равным
γ
1
, луча 2 с углом падения на ионизирующий слой, равным
γ
2
. Луч 1 с меньшим углом падения по- лучает небольшое искривление направления распространения, а траектория луча 2
искривляется настолько, что луч снова вернется на землю.
В ионизированных слоях атмосферы радиоволны затухают гораздо сильнее,
чем при распространении в тропосфере, причем ослабление радиоволн растет с уменьшением частоты.
Таким образом, распространение радиоволн зависит от многих факторов.
В первую очередь, условия распространения электромагнитных колебаний изменя-

60
Глава 6. Распространение радиоволн
Рис. 6.3 – Преломление радиоволн при разных углах падения ются с уменьшением длины волны (увеличением частоты колебаний). Рассмотрим особенности распространения радиоволн в зависимости от длины волны электро- магнитного излучения.
6.3 Особенности распространения радиоволн различных диапазонов
Радиоволны с длиной волны более 1 километра имеют отличительную особен- ность — способность хорошо огибать Землю при своем распространении. Поэтому волны этой части диапазона способны распространяться далеко за пределами пря- мой видимости. Конечно, при удалении излучающей антенны за линию горизонта сигнал будет значительно ослаблен, но, в общем, в этом диапазоне частот может быть обеспечена достаточно уверенная связь на расстояниях в сотни и тысячи ки- лометров.
Радиоволны, которые распространяются вдоль поверхности Зем-
ли, называют земными или поверхностными волнами.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
В этом диапазоне частот, кроме поверхностных волн, для связи используют и пространственные волны.
Пространственными (ионосферными, небесными) называют
такие волны, которые, будучи излученными от поверхности Зем-
ли, отразятся от ионосферы и вновь вернутся на Землю.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Траектория распространения пространственной волны, вернувшейся на Зем- лю после отражения от ионосферы, называется скачком. Электромагнитные волны нижней части радиодиапазона также хорошо отражаются от поверхности Земли

6.3 Особенности распространения радиоволн различных диапазонов
61
(то есть с малыми потерями). Отраженные от Земли радиоволны при достижении ионосферы повторно отражаются от ее нижних слоев, образуя следующий скачок.
Таким образом, упрощенную модель среды распространения длинных и сверх- длинных радиоволн можно представить в виде двух электропроводящих сфер с совмещенными центрами. Радиоволны распространяются в промежутке между этими сферами, попеременно отражаясь то от внешней, то от внутренней сферы.
Земля вместе с нижней границей ионосферы образуют для этого диапазона свое- образный сферический волновод. В этом волноводе формируется траектория мно- госкачкового распространения радиоволн (рисунок 6.4). Изменения свойств ионо- сферы сказываются не столь существенно для этого диапазона радиоволн, поэтому связь на этих частотах достаточно устойчива даже на далеких расстояниях и слабо зависит от времени суток.
Рис. 6.4 – Распространение длинных радиоволн пространственными лучами
Высокая стабильность распространения радиоволн этого диапазона использу- ется, например, радиопередатчиками службы точных частот и времени, сигналы которых используются в системах связи всех диапазонов частот.
В заключение следует отметить о особенности распространения электромаг- нитных колебаний самой нижней части радиодиапазона. Поскольку величина по- терь при распространении радиоволн в среде с потерями (почва, вода, ионизи- рованные газы и т. д.) уменьшается с увеличением длины волны, то и глубина проникновения радиоволн в эту среду увеличивается с увеличением длины волны.
Эта особенность распространения радиоволн используется, например, для связи с подводными лодками, погруженными на глубину в сотни метров от поверхности океана. Для такого (единственно возможного) вида радиосвязи используют очень низкие частоты (очень длинные волны), что требует больших размеров антенн и высоких мощностей радиопередатчиков.
Радиоволны с длиной волны от 100 до 1000 метров так же, как и более длин- ные, распространяются и поверхностными, и пространственными волнами, но их распространение имеет свои особенности. Влияние нестабильностей параметров ионосферы на распространение радиоволн этого диапазона становится все замет- нее, и длина пути, проходимого пространственной волной в точку приема, в разное время года и суток оказывается разной.

62
Глава 6. Распространение радиоволн
Днем в этом диапазоне волн на расстояниях до нескольких сотен километров для связи используются поверхностные волны. С увеличением частоты колеба- ний требуется более высокая концентрация заряженных частиц ионосферы для формирования отраженной волны, при этом радиоволны проникают во все более высокие слои атмосферы. Но с увеличением длины пути, проходимой радиовол- ной в ионосфере, возрастают ее потери. Радиоволны этого диапазона достигают слой E ионосферы и возвращаются к Земле. Днем более низкий слой D имеет высокую концентрацию и вызывает значительное ослабление радиоволн, поэтому пространственные волны этого диапазона весьма слабы.
Ночью дальность связи может быть увеличена за счет того, что ночью слой D
практически исчезает. Ослабление радиоволны в ионосфере значительно уменьша- ется, и влияние пространственной волны в этом диапазоне становится заметнее.
В конечном итоге это приводит к тому, что на больших дальностях в местах приема может наблюдаться эффект замирания, или фединга, проявляющийся в изменении уровня принимаемого сигнала. Основной причиной замирания сигналов является интерференция пространственной и поверхностной волн. На рисунке 6.5 показаны условные пути прохождения в точку, достаточно удаленную от излучающей антен- ны, поверхностной радиоволны 1 и пространственной радиоволны 2. Так как длина пути, который проходят радиоволны, может постоянно изменяться, то непрерывно изменяются и фазы приходящих сигналов.
Рис. 6.5 – Распространение поверхностных и пространственных радиоволн
Результат сложения двух сигналов одной частоты, но с различными фазами,
изменяется от максимального значения (когда фазы приходящих колебаний совпа- дают) до минимального (когда фазы этих сигналов противоположны). Если мощ- ности колебаний, приходящих с различных направлений, приблизительно одина- ковы, то уровень принимаемого сигнала, образуемого в результате интерференции,
может спадать практически до нуля.
Вблизи передатчика, где присутствуют, в основном, поверхностные волны, эф- фект замирания практически отсутствует. На больших расстояниях, где возможно распространение и пространственной, и поверхностной волн, ночью связь может улучшаться, но со значительными замираниями. И на очень больших расстояниях,
куда практически не достигает земная волна, ночью возможен прием простран- ственной волны.
Радиоволны с длиной волны от 10 до 100 метров распространяются также в виде пространственной и поверхностной волн, но с ростом частоты еще более возрастает поглощение Землей энергии поверхностных волн, и они ослабевают быстрее. Поэтому в коротковолновом радиодиапазоне распространение поверх-

6.3 Особенности распространения радиоволн различных диапазонов
63
ностных волн ограничивается практически пределами прямой видимости. Далее простирается зона молчания, где невозможен уверенный прием сигналов.
В диапазоне декаметровых волн также возможен эффект замирания. Причи- ной его также является интерференция, но уже двух или более пространственных лучей, приходящих в точку приема разными путями.
На рисунке 6.6 показан ход лучей декаметровых волн, излученных из точки A.
Волны этого диапазона еще глубже проникают в ионосферу. Граница распростра- нения земных волн обозначена точкой B. В точку C поступают пространственные волны после первого отражения от ионосферы. Пояс земной поверхности между точками B и C образует зону молчания. В этой зоне поверхностные волны уже настолько ослаблены, что не могут быть использованы для связи, а отраженные от ионосферы волны достигают поверхности Земли на гораздо большем удалении от передатчика. На еще большем удалении от точки излучения A возможен приход волны после двукратного отражения от ионосферы. Если в этот же пункт приема приходит другая пространственная волна, например после однократного отраже- ния от ионосферы, то в точке приема D наблюдается интерференция сигналов и,
как следствие ее, — замирание во время приема.
Рис. 6.6 – Распространение декаметровых радиоволн
Радиоволны, длина которых менее 10 метров, практически не обладают ди- фракцией, то есть не могут огибать препятствия на пути распространения. Концен- трация заряженных частиц в ионосфере недостаточна для значительного влияния на траекторию распространения радиоволн этого диапазона, поэтому радиоволны практически не отражаются от ионосферы. С одной стороны, это делает невоз- можной дальнюю связь на поверхности Земли за пределами прямой видимости,
с другой стороны, позволяет использовать радиоволны этого диапазона для спут- никовой связи.
Таким образом, основные характеристики распространения электромагнитных колебаний ультракоротковолнового (УКВ) диапазона определяют возможной связь в этом диапазоне в пределах прямой видимости между передающей и приемной антеннами. Для увеличения дальности связи антенны устанавливают на высокие опоры (рисунок 6.7).
Максимальная дальность связи D
B
(с учетом только шарообразной формы Зем- ли, без уточнения рельефа местности) определяется высотами поднятия передаю- щей и приемной антенн, соответственно h
1
и h
2
, и радиусом Земли R
З
:
D
B
»
2R
З
Š
»
h
1

»
h
2
 3,57 Š
»
h
1

»
h
2
 .
(6.4)

64
Глава 6. Распространение радиоволн
Рис. 6.7 – Максимальная дальность связи на ультракоротких волнах
При использовании этой эмпирической формулы максимальное расстояние прямой видимости D
B
и радиус Земли R
З
следует выражать в километрах, а высоты поднятия антенн h
1
и h
2
— в метрах.
В этом диапазоне волн также возможна интерференция сигналов, но уже с от- раженными сигналами от Земли или других неровностей рельефа либо строений.
На рисунке 6.8 условно показан ход лучей прямой и отраженной от поверхности
Земли волн.
Рис. 6.8 – Распространение прямой и отраженной волн УКВ
При достаточно большой мощности передатчика связь за горизонтом возможна и в этом диапазоне волн. Дальняя связь за пределами прямой видимости оказыва- ется возможной благодаря тому, что в атмосфере Земли по ряду причин могут возникать локальные неоднородности. Эти неоднородности и вызывают рассеяние радиоволн, в том числе и в направлении пункта приема. При достаточной чувстви- тельности приемного устройства может быть организована радиосвязь в трудно- доступных районах на расстоянии нескольких сотен километров.
На рисунке 6.9 представлена схема возможной связи с использованием рассея- ния радиоволн на неоднородностях атмосферы.
Рис. 6.9 – Рассеяние радиоволн от неоднородностей атмосферы

Контрольные вопросы по главе 6
65
Контрольные вопросы по главе 6 1) Какие физические механизмы определяют формирование электромагнит- ного поля?
2) Какие основные характеристики используются для оценки электромагнит- ных волн?
3) Как характеристики среды влияют на распространение электромагнитных волн?
4) Какие параметры атмосферы влияют на распространение электромагнит- ных волн?
5) Как и почему изменяются параметры ионосферы, влияющие на распро- странение электромагнитных волн?
6) Какие факторы ограничивают дальность радиосвязи в разных диапазонах электромагнитных волн?
7) Как длина волны влияет на распространение электромагнитных волн?

Глава 7
ОБОРУДОВАНИЕ КАНАЛОВ СВЯЗИ
7.1 Антенно-фидерные устройства
Для излучения и приема электромагнитных колебаний, перенося- щих информацию, используются специальные радиотехнические устройства, называемые антеннами.
Конструкции и характеристики антенн зависят от многих факторов, в частно- сти от назначения радиопередающего устройства, диапазона рабочих длин волн и т. д.
В метровом и дециметровом диапазонах волн одним из распространенных ти- пов антенн является симметричный вибратор. Симметричный вибратор представ- ляет собой два одинаковых отрезка проводника, лежащих на одной линии с неболь- шим зазором, величина которого много меньше длины проводника (рис. 7.1). Зазор предусмотрен для подключения источника переменного тока. Наилучшие характе- ристики имеют симметричные вибраторы, у которых длина каждого из проводни- ков равна четверти длины волны излучаемого колебания. Размеры антенны в этом случае оказываются равными половине длины волны, и такая антенна называется полуволновым вибратором.
Одной из важнейших характеристик антенн является диаграмма
направленности. Под диаграммой направленности антенны пони- мают зависимость плотности потока мощности от направления из- лучения при передаче.