Материал: 1221

60

5 ДИАПАЗОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИО-

ВОЛН [1, 2]

5.1Распространение сверхдлинных и длинных радиоволн

Вэтих диапазонах радиоволн для всех видов земной поверхности токи проводимости существенно преобладают над токами смещения. Благодаря этому при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное поглощение энергии, что, обусловливает распространение сверхдлинных и длинных волн на большие расстояния (порядка 3000 км).

Вионосфере СДВ и ДВ поглощаются слабо, поскольку в ней проходит незначительная часть трассы. Известно, что чем ниже частота радиоволны, тем ниже электронная концентрация, необходимая для поворота луча к Земле. Следовательно, высота поворота радиоволн СДВ и ДВ диапазонов – нижняя граница ионосферы (слой D или Е). Начиная с расстояния 300…400 км, помимо земной волны, присутствует и отражённая от ионосферы волна. Эти волны интерферируют в точке приема, но на различных расстояниях от передатчика интенсивности земной и ионосферной волн разные. До 500 км учитывают, в основном, земную радиоволну и расчёт напряжённости поля ведут по формуле Шулейкина – Ван-дер-Поля, учитывающую конечность проводимости земли. После 500 км земная волна слабее ионосферной и распространение радиоволны осуществляется за счёт отражения от ионосферы. Тропосфера практически не влияет на распространение радиоволн в этих диапазонах. Можно сказать, что область пространства, где распространяются сверхдлинные и длинные волны – сферический слой, который лежит между земной поверхностью и нижним слоем ионосферы. Высота этого слоя – 80…100 км. Условие распространения при этом такие же, как и в сфериче-

ском волноводе: есть критическая длина волны (100 км).

Расчёт радиолиний на СДВ и ДВ обычно проводится по эмпирическим формулам, чаще всего по эмпирической формуле Остина:

ны в километрах.

Основное преимущество линий связи на сверхдлинных и длинных волнах – большая устойчивость напряжённости электрического поля. Сила сигнала мало меняется в течение суток и в течение года и не подвержена случайным изменениям.

Основной недостаток – невозможность передачи широкой полосы частот и необходимость использовать громоздкие антенны.

61

В настоящее время сверхдлинных и длинных волн используются для телеграфной связи на дальние расстояния, радиовещания, радионавигации.

5.2Особенности распространения средних волн

Ксредним волнам (СВ) относятся радиоволны длиной от 100 м до 1000

м(частоты 3…0.3 МГц). Средние волны могут распространяться как земные и как ионосферные.

Напряженность электрического поля земных радиоволн СВ диапазона для малых расстояний рассчитывают по формуле Шулейкина – Ван-дер-Поля, а для больших расстояний расчет ведут по законам дифракции. Средние волны испытывают существенное поглощение в полупроводящей земной поверхности и поэтому СВ радиолинии, использующие земные радиоволны, имеют протяжённость не более 700 км. Все особенности распространения земных радиоволн, рассмотренные ранее, проявляются именно в СВ диапазоне.

Ионосферная радиоволна способна отразиться лишь при концентрации, свойственной слою Е. Через слой D (самый низкий) волна проходит и сильно в нём поглощается. Слой D ионосферы появляется только днём, ночью его нет и, поэтому, ночью поглощение средних волн в ионосфере уменьшается.

Если пункт приема находится в зоне действия земной волны, то с наступлением темноты в эту точку начинает попадать также и ионосферная волна. Интерференция средних волн (земной и ионосферной) приводит к замираниям – случайным колебаниям поля сигнала. В случае, когда приемная станция расположена вне области действия земных радиоволн, замирания обязаны своим происхождением интерференции ионосферных волн, претерпевших разное число отражений от ионосферы. Для борьбы с замираниями средних волн применяются антенны, у которых максимум диаграммы направленности прижат к земной поверхности.

Средние волны используются, главным образом, в радиовещании. Типичная дальность радиолиний соответствует применению земной волны.

5.3Распространение коротких волн

Ккоротким волнам (KB) относятся радиоволны длиной от 10 м до 100

м(частоты 3…0.3 МГц).

Почва для этих волн ведёт себя, как диэлектрик. Это приводит к сильному поглощению земных волн, и они оказываются пригодными лишь для радиосвязи лишь расстояния порядка десятков километров.

Основной интерес представляют собой ионосферные волны. Причём области D и Е, в основном, только поглощают короткие волны. Типичные

62

электронные концентрации, соответствующие повороту волны лежат в области слоя F. Применительно к ионосферным волнам KB диапазона зона молчания представляет собой кольцевую область. Её внутренний радиус соответствует дальности приёма земной радиоволны, внешний обусловлен ионосферной волной. В зоне молчания ионосферная волна ещё не может быть использована, земная уже не может быть использована.

Выбор рабочих частот в диапазоне коротких волн достаточно прост. Со стороны высоких частот ограничение диапазона радиочастот соответствует прекращению поворота ионосферной волны к Земле. Соответствующая ча-

стота называется максимально применимой частотой – МПЧ (fМПЧ):

fМПЧ fПЛ ,

cos

где fПЛ – плазменная частота ионосферы; – угол падения волны.

ОРЧ – оптимальная рабочая частота лежит ниже МПЧ. Некоторое снижение частоты связано с обеспечением стабилизации условий поворота луча.

Поскольку затухание радиоволны в ионосфере растет обратно пропорционально квадрату частоты, снижение частоты нежелательно. Существует понятие наименьшей применимой частоты (НПЧ), при которой для данной мощности передатчика, напряжённость поля в месте приёма оказывается на грани требуемой нормы.

Концентрация электронов в области F меняется в зависимости от времени суток (день или ночь), а также меняется сезонно. Поэтому существуют так называемые дневные и ночные волны. Это поддиапазоны 10…25 м (дневные) и 35…100 м (ночные), рекомендуемые для связи в зависимости от времени суток.

Стабильность режима ионосферы нарушается время от времени изменением солнечной активности. Под действием возмущений на Солнце, изменяется и электронная концентрация ионосферы. При падении электронной концентрации в слое F, отраженная от ионосферы волна отсутствует, и коротковолновая линия связи перестаёт действовать.

Для диапазона KB типичны интерференционные замирания, обусловленные наложением в месте приема нескольких относительно независимых волн, отражённых от ионосферы разное число раз (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 - Многократные отражения от ионосферы и Земли

63

Преимущество коротковолновых линий связи – возможность использовать остронаправленные антенны. Отсюда экономное расходование энергии при двухсторонней связи. Короткие волны мало поглощаются в ионосфере и при отражении от земли, поэтому могут быть использованы для дальней радиосвязи.

Основы расчета КВ радиолиний. Углы наклона траекторий на KB ра-

диолиниях можно рассчитать с использованием теорем Брайта, Тьюна и Мартина. Эти теоремы позволяют заменять неизвестную истинную криволинейную траекторию АКБ (рисунок 5.2) с высотой hИ, по которой сигнал распространяется с групповой скоростью сГР на эквивалентный треугольный путь АСВ с действующей высотой hД, по которому сигнал распространяется со скоростью света в свободном пространстве с0.

Из эквивалентного треугольного пути определяется угол падения волны на плоскую ионосферу 0:

На длинных трассах, где имеет место многоскачковое распространение, под r подразумевается длина одного скачка.

Рисунок 5.2 – Взаимосвязь «угол - дуга r»

64

Угол наклона траектории связан с углом падения 0 соотношением:

0 . (5.3)

2 2

Вдиапазоне KB при работе на частотах, близких к оптимальным, в точ-

ке приема поле обычно формируется несколькими волнами, претерпевшими различное число отражений от ионосферы. В разные сезоны и периоды суток соотношение между напряженностями поля отдельных волн меняется. Поэтому для поддержания устойчивой работы антенны на передаче и приеме должны обеспечивать интенсивное излучение и прием в направлении целого спектра углов, соответствующих волнам с наибольшими амплитудами.

Выбор наклона и ширины ДН антенн в вертикальной плоскости рекомендуется производить с учетом как средних значений углов наклона траекторий СР, так и возможных флуктуации относительно СР.

Средние значения углов СР рассчитываются по (5.3), исходя из регулярных суточных и сезонных изменений действующих высот отражения hД. Верхняя граница углов СР определяется максимально возможным наблюдаемым числом отражений от слоя F2 на данной трассе в периоды, когда высота этого слоя максимальна. Нижняя граница СР для всех линий обычно принимается около 2...3°. Траектория с более низкими углами малоэффективны изза сильного ослабления в ионосфере и влияния Земли.

Для трасс протяженностью более 2000…3000 км верхние границы углаСР, рассчитанные с учетом реально наблюдаемых траекторий, приведены в таблице 5.1. Нижняя граница этого угла составляет 2...3° для всех трасс.

Таблица 5.1

Флуктуации значений углов наклона траекторий относительно средних значений во многих случаях весьма существенны. Они обусловлены различными причинами, одна из которых состоит в непрерывном случайном изменении высоты отражающего слоя, другая – в том, что отражающая область ионосферы часто не является сферически слоистой. Поэтому в формировании принимаемого сигнала участвуют попеременно или одновременно несколько областей ионосферы. Такой характер распространения даже при приеме одного луча приводит к распределению энергии волны в широком спектре углов, т.е. к флуктуациям углов наклона траекторий. При многолучевом приеме флуктуации углов наклона присущи каждой из траекторий и спектры углов, в которых распределена энергия волны, могут частично или полностью перекрывать друг друга.