Факторы, влияющие на распространение сигналов УКВ-диапазона

Факторы, влияющие на распространение сигналов УКВ-диапазона

ФГОБУ ВПО "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики"

Кафедра СРС

Реферат на тему:

Факторы, влияющие на распространение сигналов УКВ-диапазона

Выполнил:

Суворова М.А.

Проверил:

Кокорич М.Г.

Ультракороткие волны (УКВ) в современной практике - это радиоволны из диапазонов метровых (МВ), дециметровых (ДМВ) и частично сантиметровых (СМВ) волн. Однако согласно советскому ГОСТ 24375-80 "РАДИОСВЯЗЬ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ" этот термин также распространяется на все высокочастотные волны вплоть до децимиллиметровых (совр. "терагерцовый" диапазон). Таким образом в науке и электронной технике диапазон частот УКВ находится в пределах от 30 МГц (длина волны 10 м) до 3000 МГц (длина волны 0,1 м).

На ультракоротких волнах достигаются очень важные возможности в технике радиосвязи и радиовещания. А такие отрасли техники, как телевидение, радиолокация, ближняя радионавигация и многие другие, оказываются осуществимыми только на ультракоротких волнах благодаря широкой полосе пропускания радиолиний и высокой направленности антенн.

В течение десятилетий применение ультракоротких волн ограничивалось требованием прямой (геометрической) видимости между антеннами передающей и приемной станций, которое вытекает из прямолинейности распространения основного потока энергии этих волн. Действительно, дифракция вокруг больших преград почти не свойственна ультракоротким волнам, а потому они дифракционно не огибают практически выпуклость земной поверхности. В ионосфере же не может быть достигнута такая степень ионизации, которая была бы достаточной для нормального отражения ультракоротких волн (исключение может быть в годы высокой солнечной активности для нижней части метрового диапазона - примерно 7-10 м). Именно поэтому ультракороткие волны первоначально применялись для ближних наземных связей, для местного радиовещания и телевизионного вещания и для связей самолетов в воздухе.

Но наука нашла пути к разрешению противоречия между потребностью в широкой полосе пропускания и ограниченной дальностью прямой видимости. Была разработана радиорелейная связь, которая характерна размещением вдоль трассы ряда промежуточных (ретрансляционных) станций на интервалах прямой видимости между соседними антеннами (рис. 1). Правда, радиорелейная линия и по своим свойствам, и по своей стоимости оказывается ближе к кабельным линиям связи, нежели к радиостанциям непосредственной дальней связи.

В 50-х годах были открыты возможности непосредственной дальней связи на ультракоротких волнах, о которых будет сказано ниже. Но совершенно особое положение занял диапазон ультракоротких волн в решении задач космической связи: в космосе, т.е. в безвоздушном пространстве и при обеспечении "геометрической видимости" на очень больших расстояниях, возможна связь с помощью электромагнитных волн любой длины, в том числе и на миллиметровых, субмиллиметровых, инфракрасных и световых.

Для узкополосных систем радиообмена с излучением колебания основной (несущей) частоты, подвергающегося модуляции или манипуляции, оценку воздействия сигнала на приемную установку мы давали величиной напряженности поля . Но для широкополосных систем сверхвысокой частоты недостаточна, а подчас и вовсе непригодна такая оценка; дело в том, что сигналы на сверхвысоких частотах могут иметь форму радиоимпульсов и воздействие их на приемник зависит не только от амплитуды напряженности поля их волн, но и от длительности, и от частоты повторения импульсов. В таком случае более полно воздействие сигналов на приемник характеризуется мощностью P₂ , которую сможет извлечь из радиоволн приемная антенна.

Вместо абсолютной величины мощности P₂ вводят отношение мощности P₁ , которую излучает передатчик, к мощности P₂ , доставляемой приемнику. Это отношение можно назвать затуханием на радиолинии ультракоротких волн и выразить формулой

Здесь r - расстояние от передатчика до приемника (в метрах);  - длина волны (в метрах); D₁ иD₂ - коэффициенты направленности передающей и приемной антенн (безразмерные величины).

Из формулы (1), казалось бы, следует, что выгоднее более длинные волны, так как с увеличением , затухание уменьшается; это означает, что некоторую заданную мощность P₂можно обеспечить при меньшей величине P₁. Однако мы знаем, что с уменьшением длины волны достигается возможность увеличения коэффициентов направленности антенн D₁ и D₂, и это оказывается в большинстве случаев решающим соображением для выбора длины волны.

Подсчитаем, например, какой направленностью должны обладать передающая и приемная антенны космической связи, чтобы на расстоянии 300000 км на волне 3 см при мощности излучения 1 кВт была обеспечена мощность приема 10 ^-11 Вт. Из формулы, полагая в ней D₁ = D₂ = D, найдем:

Такой высокой направленности можно достичь (при допустимых размерах антенн) только на очень коротких волнах.

Приведенный метод расчета затухания радиолинии пригоден для свободного пространства. Если ультракороткие волны распространяются в приземном слое воздуха, то они могут испытывать поглощение. Практически заметным поглощение становится на волнах короче 3 смво время дождя. Физически процесс поглощения в каплях воды можно представить как результат наведения в них токов смещения, плотность которых пропорциональна частоте. Кроме того, граница дождевой полосы или облака как среды с иными параметрами (для воды проницаемость ) создает отражение и рассеяние очень коротких волн. Линия связи на волне 2 см во время атмосферных осадков становится неустойчивой. На волнах миллиметрового диапазона наблюдается значительное поглощение в молекулах водяных паров и затем в молекулах кислорода.

Именно эти соображения определили выбор диапазонов волн для известных из литературы линий связи Земля - Космос; эти линии работали на волнах длиннее 3 см. Но с увеличением высоты над уровнем моря плотность воздуха и вместе с тем поглощение в нем радиоволн резко уменьшаются. Поэтому неоднократно высказывались предположения о возможности применить миллиметровые и субмиллиметровые волны для связи с Космосом, но при условии размещения наземной аппаратуры на очень высоких горах или при ином способе ее подъема.

ультракороткий волна радиолокация диапазон

Рис.2.

Предельное расстояние прямой видимости между антеннами.

Связь же вдоль поверхности земли на волнах не короче 3 см осуществляется успешно при наличии прямой видимости между антеннами корреспондентов. Для того чтобы увеличить это расстояние, антенны поднимают на высокие мачты или башни. Если представить земную поверхность идеально шарообразной и гладкой (рис. 2) и принять высоту подъема одной антенны h₁ (в метрах), а другой h₂ (в метрах), то предельное расстояние прямой видимости d (в километрах) вычислится так:

Так, например, если обе антенны подняты на высоту h₁ = h₂ = h = 25 м, то расстояние прямой видимости будет не более d = 35,7 км. Учитывая неровности на поверхности земли, которые могут содействовать подъему антенн или, наоборот, создавать преграды между ними, а также считая, что башни радиорелейных антенн строятся с высотой до 100 м, можно считать примерное расстояние прямой видимости для наземной УКВ связи в пределах от 30 до 60 км (см. рис. 1).

Наземная связь на ультракоротких волнах характерна также возможностью одновременного воздействия на приемник не только прямой волны, но и волны, отражаемой от земной поверхности. На рис. 2,а показаны передающая антенна на высоте h₁ и приемная антенна на высоте h₂. Луч прямой волны соединяет эти антенны A₁ и A₂. Луч отраженной волны легко построить, соединив "зеркальное отражение" передающей антенны A₁ прямой линией с приемной антенной A₂. Это дает точку отражения на земной поверхности, в которой углы падения и отражения  равны между собой.

Длина прямого луча r₁ меньше, чем длина отражаемого луча r₂. Поэтому в точку A₂ волны по этим двум путям приходят, вообще говоря, в разных фазах. Разность их фаз зависит от разности хода (r₂ - r₁ ) и от длины волны. При заданной длине волны разность хода изменяется с изменением высот антенн и расстояния d между ними. Если любую из этих трех величин изменять плавно, то сдвиг фаз будет периодически меняться от 0 до 180°, вновь до нуля и т.д. Следовательно, напряженность поля получит периодические изменения, как показано для примера на рис. 3,б.

Это свойство, открытое Б.А.Введенским, означает практически следующее: если линия радиосвязи выполнена правильно и отдельно взятый луч r₁ обеспечивает по расчету уверенную связь, а фактически связь отсутствует или оказывается неуверенной, то небольшим изменением одной из указанных величин (h₁, h₂, d или ) можно достигнуть хорошего результата. Эффект интерференции прямого и отраженного лучей может наблюдаться и при таком расстоянии d, которое не допускает пренебрежения выпуклостью Земли; с другой же стороны, при отражении может поглощаться или рассеиваться значительная часть энергии луча r₂, а потому даже при сдвиге фаз в 180° результирующее поле не будет равно нулю.

На этом закончим краткие сведения о распространении ультракоротких волн при условии прямой видимости между корреспондирующими антеннами. На метровых волнах, которые способны более успешно огибать небольшие преграды на земной поверхности, чем дециметровые волны, возможно поддерживать связь и при отсутствии прямой видимости. Такая связь, называемая часто "низовой" связью, широко распространена и среди радиолюбителей, в частности для спортивной "охоты на лис". Дальности низовой связи на метровых волнах обычно исчисляются километрами, реже - немногими десятками километров.

Очень интересны возможности связи на ультракоротких волнах за пределами горизонта. Такие возможности открыты в последние десятилетия и объясняются они свойствами атмосферы, приводящими к тем или иным искривлениям лучей ультракоротких волн.

Известны случаи дальнего (иногда - очень дальнего, на тысячи километров) приема телевидения радиолюбителями. Такая возможность создается особыми условиями преломления волн в приземных слоях тропосферы.

Тропосфера, в которой температура, влажность и давление воздуха уменьшаются с высотой, способна создавать преломление (рефракцию) ультракоротких волн. Лучи этих волн, которые в свободном пространстве распространялись бы прямолинейно, испытывают в тропосфере от слоя к слою преломление и становятся криволинейными. Коэффициент преломления зависит от параметров тропосферы (например, от влажности, т.е. от содержания водяных паров, имеющих большую диэлектрическую проницаемость). Нормальное состояние тропосферы таково, что лучи, исходящие от передатчика касательно к земной поверхности, преломляются с наклоном к Земле и благодаря этому способны заходить за выпуклость Земли. Это благоприятствует осуществлению связи при отсутствии прямой видимости между антеннами радиостанций ультракоротких волн. Однако большого выигрыша в дальности нормальная тропосфера не дает.

Возможны случаи, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой быстрее, чем при нормальном состоянии атмосферы. Это особенно часто наблюдается над водной поверхностью: влажность воздуха в нижних слоях тропосферы над водой велика и резко убывает с высотой. Тогда луч оказывается преломленным настолько сильно, что он может возвратиться к земной поверхности, отразиться от нее, вновь испытать преломление в тропосфере, возвратиться к Земле на удвоенном расстоянии и т.д. (рис. 4). Такой случай дальнего распространения ультракоротких волн, создаваемого "сверхрефракцией" в тропосфере, называется распространением в тропосферном волноводе.

Другая возможность дальней, и притом регулярной, сравнительно устойчивой связи на ультракоротких волнах создается рассеянием их энергии в местных (локальных) неоднородностях тропосферы. Нам известно, что такие неоднородности постоянно создаются и распадаются благодаря вихревым движениям воздуха на высоте 3-5 км и более. Неоднородности характеризуются в электрическом отношении коэффициентом преломления, отличающимся от нормального.

Лучи ультракоротких волн, проходя сквозь тропосферные неоднородности, испытывают частичное отражение рассеянного характера (рис. 5,а). Рассеянно отраженные лучи направляются преимущественно вперед и вниз, так что некоторая часть энергии радиоволн достигает Земли на расстояниях, исчисляемых сотнями километров.

Эти расстояния можно подсчитать, зная высоту неоднородности тропосферы h и построив из этой области две касательные прямые к поверхности Земли (рис. 5, б). Так, если принять , то можно геометрически вычислить расстояние (дугу) . Если в пунктах A иB расположить радиостанции, то можно получить радиолинию тропосферной связи (точнее - линию связи на УКВ с использованием рассеянного отражения в тропосфере). Обычно такие линии рассчитываются на дальности до 200-300 км, но могут быть и более протяженные линии (до 1000 км).

Однако создание линии тропосферной связи - значительно более сложная задача, нежели линии коротковолнового диапазона на то же расстояние. Благодаря рассеянному отражению волн от тропосферной неоднородности напряженность поля падает с расстоянием более резко, нежели при прямой видимости. Поэтому требуются значительные мощности передатчиков (от 1 до 50 кВт), антенны больших размеров с высокой направленностью и высокочувствительные приемники. Лишь после создания такой аппаратуры и удалось открыть явление тропосферного рассеяния.

Что касается диапазона частот, пригодного для тропосферной связи, то он включает в себя метровые, дециметровые и часть сантиметровых волн (не испытывающую заметных потерь в атмосфере). Существующие (известные из литературы) линии тропосферной связи относятся преимущественно к дециметровому диапазону. На длинных же и коротких волнах рассеяние в тропосфере не обнаруживается, так как имеются более резко выраженные причины "загоризонтного" распространения этих волн (отражение от ионосферы, дифракция).

Связь с использованием тропосферного рассеянного отражения ценится высоко благодаря следующим своим свойствам. Во-первых, в отличие от длинноволновой и коротковолновой связи, на УКВ возможна передача колебаний в широкой полосе частот, т.е. большого количества каналов. Во-вторых, эта связь не требует смены длины волны в течение суток, т.е. в этом отношении выгоднее коротковолновой. Однако сила приема в тропосферной линии не остается постоянной. Поле характеризуется замираниями, которые вызываются изменениями метеорологических условий в пределах тропосферной неоднородности, влияющими на рассеянное отражение, а также изменениями фазовых соотношений лучей, доходящих до пункта приема разными путями. Для повышения устойчивости уровня сигнала приходится осуществлять прием на два приемника с разнесенными антеннами, как и на коротких волнах.

Линии тропосферной связи за десяток лет нашли себе довольно широкое применение, конкурируя в труднодоступной местности с кабельными линиями, прокладка которых в этих условиях обошлась бы дороже. Тропосферные станции могут образовать радиорелейные цепочки с интервалами не по 40-50, а по 150-250 км и более, что также представляется интересным для труднодоступных районов.

Рассеянное отражение ультракоротких (конкретно - метровых) волн наблюдается также в нижних слоях ионосферы. Мы упоминали о вихревых движениях и образовании неоднородной ионизации. Эти неоднородности подобно неоднородностям тропосферы рассеивают часть энергии радиоволн, проходящих сквозь ионосферу. Но заметному рассеянию подвергаются только волны метрового диапазона, так как с повышением частоты относительная диэлектрическая проницаемость приближается к единице и влияние неоднородности исчезает. В тропосфере же неоднородности параметров воздуха (например, влажности) производят рассеяние радиоволн в более широком диапазоне.

Ввиду того, что неоднородности ионизации образуются преимущественно на высотах 80-100 км, мы можем с помощью построения, подобного рис. 5, б, определить, что связь с использованием ионосферного рассеяния метровых волн возможна до расстояний приблизительно в 2000-2500 км. Наименьшая же дальность такой связи оказывается 800-1000 км, так как рассеянные лучи с крутым падением на земную поверхность выражены слабо. Ионосферные линии связи на метровых волнах способны пропускать более узкий спектр сигнала, нежели тропосферные; обычно ионосферные линии уплотняются только одним-двумя телефонными и несколькими телеграфными каналами.

Ионосферные линии применяются для связи между материками и отделенными островами при отсутствии подводных телеграфных кабелей или в качестве дублирующего средства. Станции требуются большой мощности (десятки киловатт) с многовибраторными антеннами синфазного типа. Преимуществом по сравнению с коротковолновой связью на те же расстояния оказывается возможность работать круглосуточно без смены волн. В периоды ионосферных возмущений, когда прерывается нормальная связь на коротких волнах с отражением от слоя F, неоднородности в нижних слоях ионосферы становятся более резкими и ионосферная связь на метровых волнах даже улучшается.

Наиболее современным видом дальней связи на ультракоротких волнах нужно считать связь с использованием искусственных спутников Земли. Основным типом спутника связи является активный ретранслятор. Такой спутник несет на борту оборудование, аналогичное оборудованию промежуточной станции радиорелейной связи, осуществляющее прием сигналов от одного корреспондента и их автоматическое переизлучение к другому корреспонденту. Условием нормальной связи между двумя наземными пунктами является наличие геометрической видимости с борта спутника на оба наземных пункта.

Большими достоинствами связи через спутник-ретранслятор следует признать, во-первых, возможность передачи широкой полосы частот сигналов, не только телефонных, но и телевизионных, а во-вторых, большие дальности связи между наземными пунктами (трансконтинентальные и трансокеанские связи). Известно, например, что именно через спутник-активный ретранслятор была впервые осуществлена телевизионная передача между Америкой и Европой. Основная же трудность выполнения такой связи состоит в том, что геометрическая видимость на оба наземных пункта обеспечивается в течение только того времени, за которое спутник движется между этими пунктами. Для связи практически круглосуточной требуется движение по орбите нескольких спутников, чтобы вероятность нахождения одного из них между пунктами связи была достаточно большой. Кроме того, сложная и точная аппаратура требуется для слежения за спутником, чтобы обеспечить ориентировку на него диаграмм направленности наземных антенн. Выбор диапазона волн для связи через спутник-ретранслятор определяется свойствами атмосферы. Для того чтобы волны проходили сквозь ионосферу, необходимо выбирать их не длиннее 15-20 м; для того чтобы они не имели больших потерь в нижних слоях тропосферы, не следует выбирать их короче 3 см. Естественно, что при выборе волн связи в указанных пределах облачность не будет служить препятствием для ретрансляции через спутник. Если бы речь шла о выборе длины волны для линии Космос-Космос, то оба указанных ограничения отпали бы и выбор был бы свободным во всем диапазоне электромагнитных колебаний вплоть до субмиллиметровых, инфракрасных и световых волн.

Спутники Земли могут быть использованы и в качестве пассивных отражателей радиоволн между наземными пунктами связи (рис. 6). В роли такого отражателя может быть применен и естественный спутник - Луна в те часы, когда она находится в пределах одновременной геометрической видимости из обоих корреспондирующих пунктов. Очевидно, что о круглосуточной связи здесь речи быть не может.

Пассивные искусственные спутники-отражатели могут выполняться в виде пластмассовых баллонов, забрасываемых на орбиту с помощью ракет и раздувающихся в Космосе. Диаметры их, как указывалось в литературе, могут быть в надутом состоянии 30-40 м и более. Поверхность баллона металлизируется и создает рассеянное отражение радиоволн (как и показано на рис. 6). До пункта приема доходит малая часть энергии, поэтому наземное оборудование линий связи с пассивными отражателями получается более мощным и сложным, нежели в случае активных ретрансляторов. Выбор диапазона волн для связи Земля-Космос-Земля в случае пассивных отражателей производится из тех же соображений, что и в случае активных ретрансляторов.