В помощь изучающему электронику

Общие положения

передающего устройства,

приемного устройства

и промежуточного звена — соединяющей линии.

Для радиосистем промежуточным звеном является среда — пространство, в котором распространяются радиоволны. При распространении радиоволн по естественным трассам, т. е. в условиях, когда средой служит земная поверхность, атмосфера, космическое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практически не поддается управлению.
 

При распространении радиоволн в среде происходят изменение амплитуды поля волны (обычно уменьшение), изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов.
В связи с этим, проектируя линии радиосвязи, необходимо:
рассчитать энергетические параметры линии радиосвязи (определить мощность передающего устройства или мощность сигнала на входе приемного устройства);
определить оптимальные рабочие волны при заданных условиях распространения;
определить истинную скорость и направление прихода сигналов;
учесть возможные искажения передаваемого сигнала и определить меры по их устранению.

Рис. 1. Пути распространения радиоволн

Ионизация и рекомбинация газа в ионосфере

Ионосфера

Наличие в верхних слоях атмосферы свободных электронов определяет электрические параметры ионизированного газа - его диэлектрическую проницаемость ε и проводимость γ
 

Число электронов, содержащихся в единице объема воздуха, называется электронной плотностью Na (см^-3)
 

Электронная и ионная плотности ионосферы непостоянны по высоте, что приводит к преломлению и отражению радиоволн в ионосфере.

Рис. 2 Распределение плотности электронов по высоте атмосферы.

Ионосфера в целом является квазинейтральной, т.е. количества имеющихся в ней положительных и отрицательных зарядов равны.
 

Температура газа, начиная с высоты h = 80 км, плавно возрастает, достигая 2000—3000 К при h=500—600 км Возрастание температуры с высотой в области ионосферы объясняется тем, что воздух здесь нагревается непосредственно излучением Солнца
 

Основным источником ионизации земной атмосферы являются электромагнитные волны солнечного излучения длиной короче 0,1 мкм - нижний участок ультрафиолетового диапазона и мягкие рентгеновские лучи, а также испускаемые Солнцем потоки заряженных частиц Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи производят ионизацию только на освещенной части земного шара и более интенсивно в приэкваториальных областях Заряженные частицы движутся по спиральным линиям в направлении магнитных силовых линии к магнитным полюсам земного шара и производят ионизацию главным образом в полярных областях Считают, что ионизирующее действие потока частиц составляет не более 50% ионизирующего действия ультрафиолетового излучения Солнца.

Преломление и отражение радиоволн в ионосфере

При распространении радиоволны в неоднородной среде ее траектория искривляется. При достаточно большой электронной плотности искривление траектории волны может оказаться настолько сильным, что волна возвратится на поверхность Земли на некотором расстоянии от места излучения, т. е. произойдет отражение радиоволны в ионосфере.
 

Отражение радиоволн, посланных с поверхности Земли на ионосферу, происходит не на границе воздух — ионизированный газ, а в толще ионизированного газа. Отражение может произойти только в той области ионосферы, где диэлектрическая проницаемость убывает с высотой а, следовательно, электронная плотность возрастает с высотой, т. е. ниже максимума электронной плотности ионосферного слоя.

sinφ₀ = ε_n^1/2 = (1 - 80,8N_e/f²)^1/2

Отсюда можно определить рабочую частоту f_φ при которой волны отразятся от ионосферы в случае заданных электронной плотности и угле падения:

f_φ = (80,8N_e/cosφ₀)^1/2

f_φ = (80,8 N_e)^1/2 = f₀

f_{φ =} f₀ secφ₀

Максимальная частота, при которой волна отражается в случае вертикального падения на ионосферный слой, называется критической частотой fкр, отражение происходит вблизи максимума ионизации слоя:

fкр = (80,8 N_eмакс)^1/2

sin φ_макс = R₀/(R₀ + h₀)

Токи проводимости для диапазонов СДВ и ДВ существенно преобладают над токами смещения для всех видов земной поверхности. Поэтому при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное проникновение ее энергии в глубь Земли. Сферичность Земли, служащая препятствием для прямолинейного распространения радиоволн, до расстояний 1000—2000 км остается соизмеримой с длиной волны, что способствует хорошему огибапию длинными волнами земного шара благодаря дифракции. Незначительные потери и oгибание земной поверхности обусловили возможность ДВ и СДВ распространяться земной волной на расстояние до 3000 км.
 

Начиная с расстояния 300—400 км помимо земной волны присутствует волна, отраженная от ионосферы. С увеличением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700—1000км поля земной и ионосферной волн становятся примерно равными. Суперпозиция этих двух волн дает интерференционную картину поля.
 

На расстоянии свыше 3000 км ДВ и СДВ распространяются только ионосферной волной. Для отражения длинных волн достаточно небольшой электронной плотности, так что днем отражение этих волн может происходить на нижней границе слоя D, а ночью—на нижней границе слоя Е. Проводимость в этой области ионосферы для ДВ довольно значительна (но в тысячи раз меньше, чем проводимость сухой земной поверхности) и токи проводимости оказываются того же порядка, что и токи смещения Следовательно, нижняя область ионосферы для ДВ обладает свойствами полупроводника.

Расстояние от земной поверхности до нижней границы ионосферы составляет 60—100 км, т. е. того же порядка, что и длина волн (ДВ и СДВ), так что волны распространяются между двумя близко расположенными полупроводящими концентрическими сферами, одной из которых является Земля, а другой — ионосфера. Условия распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе.
 

Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волны — волны, распространяющиеся с наименьшим затуханием, и критическую волну. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, оптимальными являются волны длиной 25 - 35 км, а критической - волна длиной 100 км. Подобно законам распространения радиоволн в обычных волноводах, в сферическом ионосферном волноводе фазовая скорость радиоволн превышает скорость света в свободном пространстве.

Особенности распространения средних волн

Напряженность электрического поля земных волн определяется для малых расстояний, а для больших расстояний - по законам дифракции. СВ испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, поэтому дальность распространения земной волны ограничена расстоянием 1000 км. Следует также учитывать, что неровности земной поверхности снижают эффективную проводимость почвы. Приближенно для равнинной местности γ_эфф = (0,5—0,7)γ, для, холмистой γ_эфф= (0,15—0,2)γ, для районов вечной мерзлоты γ_эфф = γ.

Рис. 4. Ближние и дальние замирания на средних волнах.
 

1 - земная волна;

2 - волна, отразившаяся от ионосферы один раз;

3 - волна, отразившаяся от ионосферы дважды.

Для борьбы с замиранием на передающем конце радиолинии применяются антенны с диаграммами направленности, прижатыми к земной поверхности. При такой диаграмме направленности зона ближних замираний удаляется от передатчика, а на больших расстояниях поле волны, 'пришедшей путем двух отражений, оказывается ослабленным.

Рис. 5 Схема распространения KB на большие расстояния.
 

а — интерференция" волн, отраженных однократно и двукратно от ионосферы,

1 — поверхностная волна;

2—волна, распространяющаяся путем одного отражения от ионосферы;

3 — волна, распространяющаяся путем двух отражений от ионосферы;

4 — волна, рабочая частота которой больше максимально допустимой;

б — интерференция рассеянных волн;

в—интерференция магниторасщепленных составляющих волн.

Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не слишком высокой, а электронная плотность ионосферного слоя достаточной для отражения этой волны в соответствии с (3-44). Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона.
 

Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере (см. рис. 5). Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электромагнитного поля должна быть достаточной для приема.
 

Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток:

- днем работают на волнах 10—25 м, а ночью на волнах 35—100 м.
 

Необходимость правильного выбора длины волны для сеансов связи в различное время усложняет конструкцию станции и работу оператора.
 

Зоной молчания KB называют кольцевую область, существующую на некотором расстоянии от передающей станции, в пределах которой невозможен прием радиоволн. Появление зоны молчания объясняется тем, что земная волна затухает и не достигает этой области (точка 6 на рис. 3-39, а), а для ионосферных волн, падающих под малыми углами на ионосферу, не выполняются условия отражения (3-44). Пределы зоны молчания (ВС) расширяются при укорочении длины волны и снижении электронной плотности.
 

Замирания в диапазоне KB более глубоки, чем в диапазоне СВ. Основной причиной замираний является интерференция лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы (рис. 3-39, о). Помимо этого замирания вызываются рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн (рис. 3-39,6), а также интерференцией обыкновенной и необыкновенной составляющих магниторасщепленной волны (рис. 3-39,в). Обработка измерений за короткие .интервалы времени (до 5 мин) показала, что ф-ции распределения амплитуд близки к распределению Рэлея (3-54). В течение больших интервалов времени наблюдений распределение ближе к логарифмически нормальному со среднеквадратичным отклонением 6±1,25 дБ. В обоих случаях разность между уровнями напряженности поля сигнала, превышаемыми в течение 10 и 90% времени, составляет 16±3,2 дБ.
 

Скорость замирания (§ 3-6) лежит в пределах 6 - 16 замираний в минуту. На линиях протяженностью 3000 км скорость замираний в 2 - 6 раза меньше, чем на линии протяженностью 6000 км. Интервал времени корреляции колеблется в пределах ?о = 4,5 - 1,5 с. Масштаб пространственной корреляции зависит от протяженности линии радиосвязи, рабочей частоты, характера неоднородностей ионосферы и лежит в пределах rо==210-560 м (10 - 25?). Для борьбы с замираниями применяется прием па разнесенные антенны. Направление разноса рекомендуется выбирать перпендикулярным к направлению трассы, расстояние разноса берут порядка масштаба корреляции 10?. Сигналы, принятые на разнесенные антенны, складывают после детектирования. Эффективным является разнесение по поляризации — прием на две антенны, имеющие взаимно перпендикулярную поляризацию. Используются также приемные антенны с
узкой диаграммой направленности, ориентированной на прием только одного из лучей.
 

При благоприятных условиях распространения KB могут огибать земной шар один и несколько раз. Тогда помимо основного сигнала может быть принят второй сигнал, запаздывающий примерно на 0,1 с и называемый радиоэхо. Радиоэхо оказывает мешающее действие, на линиях меридионального направления.

В диапазоне УКВ земная поверхность может рассматриваться как идеальный диэлектрик, и проводящие свойства земной поверхности следует учитывать только при распространении метровых волн над морской поверхностью Поэтому изменение проводящих свойств почвы (изменение ее влажности) практически не сказывается на распространении УКВ Но согласно (3-17) даже небольшие неровности земной поверхности существенно изменяют условия отражения УКВ от поверхности Земли.

Распространение УКВ в пределах прямой видимости.

Распространение УКВ над пересеченной местностью и в городах.

Для расчета напряженности электрического поля в каждом конкретном случае надо иметь профиль трассы и вести расчеты исходя из этого профиля.
 

Трассы бывают открытыми (прямая видимость) и закрытыми (препятствие выше линии прямой видимости).
 

Открытые трассы характеризуются прямым и n отраженных лучей приходящих на приемную антенну с разной фазой их суммирование и определяет напряженность поля на пр. антенне.
 

На закрытых трассах возможен эффект «усиления препятствием», что объясняется переизлучением препятствием как ретрансляторомусиление напряженности может достигать 60-80 дб. для этих же целей можно использовать искусственные конструкции (мачты, линии Эл. передач, высотные промышленные здания и др. конструкции).
 

В больших городах, в условиях множественных переотражений, напряженность поля метровых и дицеметровых волн меньше чем на открытой местности примерно в 3-5 раз. Её расчет производят по формуле (3-22) вводя в неё коэффициент 0,2-0,4. В сантиметровом диапазоне ослабление ещё сильнее.
 

Внутри помещения структура поля еще более сложная и на неё влияет множество факторов поэтому она не поддается расчету. Практические измерения показали, что напряженность поля в помещениях на верхних этажах составляет 10-40% от напряженности над крышей, а на первом этаже 3-7%.

Напряженность поля в месте приема
и мощность в приемной антенне

Для свободного пространства плотность энергии S (Вт/м2) на расстоянии r (м) от точечного источника, излучающего радиоволны равномерно в^ всех направлениях, связана с мощностью излучаемой этим источником Ризл (Вт) следующей зависимостью:
 

S = P_изл/4πr²

Рис. 6. Диаграммы направленности антенны по мощности.

1— изотропного излучателя; 2 — направленной антенны.
 

F²(θ,ξ) = D(θ,ξ) / D _макс

S = P_изл D(θ,ξ) /4πr²

S = P_изл D_макс F²(θ,ξ) /4πr²

E²_mсв = 240πS

Распространения радиоволн над поверхностью земли.

Рис. 7. Расстояние прямой видимости без учета и с учетом рефракции.

В первом случае, типичном для ультракоротких и частично коротких радиоволн, метод расчета напряженности поля зависит от протяженности радиолинии r по сравнению с расстоянием «прямой видимости» r₀ (рис. 7), вычисляемым по формуле:

r₀ = (2R₀)^1/2( h₁^1/2 + h₂^1/2) =

= 3,57 10³(h₁^1/2 + h₂^1/2)

r₀ = 4,12 10³(h₁^1/2 + h₂^1/2)

Rо = 6,37-10⁶ м — радиус Земли;

h1 и h2 — высоты подъема передающей и приемной антенн, м;

r0 — расстояние прямой видимости, м.