Радиоволны являются одним из диапазонов электромагнитных волн, поэтому распространение радиоволн подчиняется общим законам распространения электромагнитных колебаний (так же, как и световых волн). Распространение радиоволн в условиях Земли имеет некоторые существенные отличия от распространения радиоволн в свободном пространстве. Поверхностные слои Земли и околоземного пространства представляют собой среды с разными характеристиками для распространения электромагнитного поля. Так же, как и для оптических волн, на границе сред с различными электрическими характеристиками (например, земля - околоземное пространство) возможно отражение и преломление радиоволн. В то же время и сама поверхность Земли и околоземное пространство представляют собой неоднородные среды с различными электрическими параметрами (электропроводностью, диэлектрической проницаемостью и т.д.). Поэтому при распространении электромагнитных волн в неоднородных средах могут изменяться как направление, так и скорость распространения электромагнитной энергии (рефракция). Дополнительное поглощение энергии радиоволн наблюдается при их распространении в средах с потерями.

Существенной особенностью распространения радиоволн в земных условиях является зависимость характеристик распространения от длины волны. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности зависит от ее рельефа и физических свойств. Наиболее важными электрическими параметрами почвы являются ее электропроводность и диэлектрическая проницаемость. Эти характеристики определяют параметры отраженных и преломленных волн на границе раздела двух сред. Электропроводность почвы определяет также потери энергии при распространении волн. Потери энергии при распространении радиоволн отсутствуют, если поверхность Земли можно считать идеальным проводником либо идеальным диэлектриком. В реальных условиях распространяющиеся над поверхностью земли электромагнитные колебания наводят в почве индукционные токи. При протекании этих токов в почве выделяется тепло. В конечном итоге это вызывает безвозвратные потери распространяющейся электромагнитной волны. Эти потери растут с ростом частоты.

Не менее важное влияние на распространение радиоволн в околоземном пространстве играет земная атмосфера (газообразная оболочка Земли). По комплексу физических признаков атмосферу принято делить на три характерных слоя: тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Тропосфера представляет собой нижний слой атмосферы, расположенный от поверхности Земли до высот порядка 10 - 20 км. Свойства тропосферы определяются смесью газов (азот, кислород и т.д.) и водяных паров. С высотой температура и давление воздуха, а также содержание водяных паров в тропосфере понижается. Таким образом, тропосфера неоднородна по своим электрическим свойствам. Кроме того, изменение метеоусловий приводит к образованию воздушных течений, вызывающих интенсивные перемешивания слоев тропосферы.

Стратосфера - слой атмосферы, лежащий над тропосферой, простирается до высот порядка 60 - 80 км. Признаком перехода к тропосфере является прекращение понижения ее температуры с высотой (в верхних слоях тропосферы температура опускается до - (50…60)°С). Плотность газов в стратосфере значительно меньше, чем в тропосфере. Электрические свойства тропосферы практически не изменяются, и радиоволны распространяются в ней прямолинейно и почти без потерь.

Ионосферой называется верхний слой ионизированной атмосферы, окружающей Землю (до высот порядка нескольких тысяч километров). Под воздействием космического излучения и ультрафиолетовых лучей солнца из атомов газа, составляющих атмосферу, выбиваются электроны, в результате чего образуются положительные ионы газа и свободные электроны. При встрече свободного электрона с ионизированным атомом происходит их объединение (рекомбинация). На больших высотах плотность атмосферы низка, поэтому вероятность встречи свободного электрона с ионом газа мала, и значительная часть газа оказывается ионизированной. Ионизированный газ обладает электропроводностью и способен изменить характеристики распространения электромагнитных колебаний. Чем больше концентрация свободных электронов, тем сильнее они влияют на распространение радиоволн. Степень ионизации газа определяется многими факторами.

Во-первых, поскольку основной причиной ионизации является излучение Солнца, то понятно, что процессы ионизации активнее происходят на участках земной атмосферы, обращенной к Солнцу. Соответственно, в дневное время в процессе ионизации возникает большее количество свободных электронов и ионизированных молекул, чем в ночные часы. Кроме того, рост интенсивности солнечного излучения в дневное время приводит к ионизации слоев атмосферы, расположенных ближе к поверхности Земли, т.е. к снижению высоты ионизированных газов.

Во-вторых, на высоте в сотни километров от поверхности Земли газовый состав атмосферы перестает быть однородным. На этих высотах наблюдается расслоение газов, составляющих воздух: более тяжелые газы занимают преимущественно нижнюю часть этого диапазона высот, более легкие газы способны подниматься и до более высоких отметок.

Описанные выше процессы приводят к тому, что концентрация заряженных частиц (ионов и электронов) и по географическим координатам, и по высоте оказывается величиной непостоянной. В зависимости концентрации ионизированного газа от высоты наблюдается ряд экстремумов. Появляются слои атмосферы, в которых количество заряженных частиц оказывается больше, чем на соседних высотах. Участки с повышенной концентрацией объединяют в слои, расположенные на разных высотах. Эти слои имеют специальные названия.

Ионизированные слои атмосферы Земли условно показаны на рисунке 6.1. На высотах 60…80 км от поверхности Земли располагается слой D, существующий только днем, когда велика интенсивность ионизирующего излучения Солнца. На высотах 100…120 км над поверхностью Земли располагается слой Е. Поскольку концентрация свободных электронов зависит от времени года и суток и определяется влиянием излучения Солнца: днем слой Е опускается ниже, ночью поднимается выше. Участки с наибольшей концентрацией свободных электронов образуют слой F, расположенный ночью на высотах 250…350 км. Днем этот слой распадается на два подслоя: F1 и F2, располагающихся на высотах от 180 до 450 км от поверхности Земли.

Рис.6.1 Ионизированные слои атмосферы Земли

Представление ионосферы в виде слоев достаточно условно. В реальных условиях нет четких границ между ионизированными и неионизированными областями верхних слоев атмосферы. В любом месте атмосферы можно обнаружить заряженные частицы, но их концентрация на разной высоте будет различной. И переходы от слоя к слою имеют конечную (ненулевую) протяженность. Но все же такая упрощенная картина ионосферы помогает понять процессы распространения радиоволн в верхних слоях атмосферы. Наличие «оболочки» из ионизированного газа вокруг Земли определяет особенности распространения электромагнитных волн. Поскольку с изменением времени и координат изменяются электрофизические свойства атмосферы, то меняются и условия распространения электромагнитных колебаний.

В наибольшей степени это касается изменения направления распространения радиоволн. Отклонение направления распространения радиоволн от прямолинейного имеет ту же природу, что и преломление световых волн при прохождении светом оптических сред с различными показателями преломления.

Искривление направления распространения радиоволн обусловлено изменением параметров среды распространения (в ионосфере - это изменение концентрации 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 возвращаются обратно на Землю.
Характеристики искривления направления радиоволн в существенной степени зависят от длины распространяемой волны. Чем короче длина волны, тем меньше 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 распространения радиоволн, используемых для космической связи с частотой f1 и наземной связи с частотой f2.

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 направления распространения волны в этом слое. На рисунке 6.3 приведены траектории лучей 1 с углом падения на ионизирующий слой, равным γ1, луча 2 с углом падения на ионизирующий слой, равным γ2. Луч 1 с меньшим углом падения получает небольшое искривление направления распространения, а траектория луча 2 искривляется настолько, что луч снова вернется на землю.

Рис. 6.3 Преломление радиоволн при разных углах падения

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 изменяются с уменьшением длины волны (увеличением частоты колебаний). Рассмотрим особенности распространения радиоволн в зависимости от длины волны электромагнитного излучения.

Радиоволны, излучаемые различными передатчиками, распространяются в окружающем передающую антенну пространстве прямолинейно и независимо от других электромагнитных колебаний. Но это правило справедливо только для случая распространения волны в идеальном диэлектрике и при отсутствии каких-либо препятствий.

На распространение радиоволн в околоземном пространстве существенное влияние оказывает земная поверхность и свойства земной атмосферы. Земная поверхность не является плоской и не обладает идеальной проводимостью. Различные неровности на поверхности земли (горы, строения) рассеивают и поглощают электромагнитные колебания, причём степень воздействия зависит от длины волны.

Земная атмосфера также неоднородна и свойства её сильно зависят от высоты над поверхностью Земли. Земная атмосфера простирается до высоты свыше тысячи километров, не имея резкой верхней границы. Слой атмосферы, расположенный непосредственно у поверхности Земли называется тропосферой . Свойства и состояние тропосферы характеризуется тремя параметрами: давлением воздуха, его температурой и влажностью. С изменением давления, влажности и температуры изменяется и показатель преломления слоёв тропосферы. Нормально этот показатель медленно уменьшается при подъёме. На высотах от 60 км и выше газы, входящие в состав атмосферы, под действием ультрафиолетовых и рентгеновских лучей солнечного спектра ионизируются . Поэтому слои атмосферы, лежащие на высотах от 60 км до 400 км над поверхностью Земли, называется ионосферой . Степень ионизации на разных высотах различна и неоднородна (Рис. 4).

Наиболее низкая ионизированная область – слой D – располагается на высотах от 60 км до 90 км. Он образуется в дневные часы под действием солнечных лучей и в ночные часы исчезает.

Рис. 4. Строение ионосферы Земли.

Следующая ионизированная область – слой Е – имеет максимум на высоте 120 км. Концентрация электронов в слое Е сильно зависит как от времени суток, так и от времени года. В летнее время концентрация электронов выше, чем зимой. На высотах 80 – 100 км наблюдаются сильные неоднородности ионизации.

Верхняя область ионосферы (от 180 до 400 км) называется слоем F . В дневные часы летних месяцев эта область распадается на два слоя F1 (180 – 240 км) и F2 (300 – 400 км). В остальное время суток и года остаётся только слой F2.

Закономерный ход электронной концентрации в слоях ионосферы нарушается в результате вспышек солнечной активности. Наиболее сильны такие изменения в слоях D и Е.

Каждый слой ионосферы имеет неравномерную концентрацию электронов. Эта концентрация с высотой постепенно возрастает, достигает максимума и постепенно уменьшается. Можно представить приближенно, что слой ионосферы (например, слой F), в свою очередь, имеет слоистую структуру. В результате такой структуры ионосферы, радиоволны преломляются и при определённых условиях могут возвращаться вновь на Землю (Рис. 5). Радиоволны, возвращающиеся к Земле после отражения в ионосфере, называют пространственными волнами.

Рис. 5. Влияние ионосферы на распространение радиоволн.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости к земной поверхности и частично огибающие выпуклость земного шара благодаря дифракции, называются поверхностными (земными) волнами.

Разделение радиоволн на длинные, короткие и ультракороткие в значительной степени определяется особенностями их распространения (Рис. 7).

К сверхдлинным волнам относятся волны больше 10000м, а к длинным – от 10000 до 1000м.

Вода океанов и морей и даже влажная почва являются для этих волн почти проводником, т.е. также отражают их при любом угле падения. Этот процесс похож на распространение волн в гигантском волноводе (или коаксиальной системе), стенками которого служат ионосфера и земная поверхность (рис. 6). Именно такой «волноводный» характер распространения (а не простое явление дифракции) позволяет объяснить возможность длинноволновой связи на любые земные расстояния вплоть до антипода (около 20000км).

Рис. 6. Распространение длинных волн.

Выгодным свойством длинноволновой связи и радиовещания на длинных волнах является сравнительное постоянство напряженности поля в пункте приема в течение суток, года и 11-летнего периода солнечной активности.

Основным недостатком длинноволнового диапазона следует считать его малую частотную вместимость (общее число килогерц). Характерны также большие размеры антенных сооружений, соизмеримые с длиной волны. Кроме того, на длинных волнах очень сильны помехи радиоприему, создаваемые разрядами атмосферного электричества.

К средневолновому диапазону относятся волны от 1000 до 100м. На средних волнах работает много радиовещательных станций и связных станций торгового флота разных стран. Если для длинных волн характерным было «волноводное» распространение между земной поверхностью и слоем E, то для вертикального отражения средних волн концентрация электронов слоя E не всегда достаточна, а концентрация слоя D вовсе недостаточна.

По сравнению с длинными волнами, средние волны проникают в ионизированный слой до своего отражения гораздо глубже. Они сильно поглощаются в дневном слое Е, а также в слое D, сквозь который проходят дважды. Ночью, отражаясь от слоя Е только при наклонном падении (т.е. проникая в него не столь глубоко) и не встречая на пути распространения слой D, средние волны претерпевают гораздо меньшие потери.

Всем сказанным объясняется следующая особенность средних волн: в дневные часы они являются только поверхностными (земными), а ночью на более значительных удалениях от передатчика можно принимать и пространственные (ионосферные) волны.

Ввиду того что участие ионосферы в распространении средних волн носит перемежающийся характер, это распространение имеет ряд особенностей. Первой из этих особенностей следует считать замирания (резкие уменьшения) силы приема. Если днем в пункт приема доходили земные (и только земные волны), то ночью туда же могут попадать и волны, отраженные ионосферой. Тогда поле в пункте приема становится результатом интерференции земных и ионосферных волн и окажется усиленным при синфазности или ослабленным при противофазности этих волн.

Второй особенностью распространения средних волн нужно считать колебания силыприёма в течение суток. На близких расстояниях, где основным оказывается поле земных волн, сила приёма практически не меняется в течение суток. На средних расстояниях, куда земные волны доходят с ослаблением, днём слышимость может быть слабой, а ночью, когда главенствующим окажется поле пространственных волн, слышимость возрастает, сопровождаясь замираниями. На больших же расстояниях, куда земные волны практически не доходят, слышимость может появ­ляться лишь в ночное время за счёт ионосферных волн.

Условия связи на средних волнах изменяются и в течение го­да из-за того, что в летние месяцы возрастает уровень атмосфер­ных помех. Влияние же 11-летнего периода солнечной активности и воздействие ионосферных возмущений на средних волнах незначительно.

Короткими называют волны от 100 до 10м(частоты от 3*10 6 до 30*10 6 Гц). Эти волны, как и средние, могут распространяться и поверхностными, и пространственными лучами.

Поглощение энергии радиоволн в земной поверхности возрастает с увеличением частоты, а потому короткие волны распространяются вдоль земли на сравнительно небольшие расстояния: при мощностях излучения в десятки и даже сотни ватт лишь на десятки километров, особенно если речь идёт о волнах верхней половины коротковолнового диапазона (50-10м).

На коротких волнах основным способом передачи сигналов является однократное или даже многократное отражение от ионосферы. Таким способом осуществляются эко­номичные дальние связи и дальнее радиовещание. В нормаль­ных условиях распространения пространственных коротких волн отражающим служит слой F 2 а лежащие ниже него слои Е и D оказываются поглощающими, т. е. вредными.

Днём для дальних связей применяются наиболее короткие волны этого диапазона (примерно от 10 до 25м); они при малом угле возвышения способны отразиться от слоя F 2 . Конечно, более длинные волны и подавно стали бы отражаться, но при высокой концентрации электронов в слоях Е и D потери в этих слоях днем были бы слишком большими и потребовалось бы невыгодное увеличение мощности передатчика. Ночью для дальних связей используется нижняя часть коротковолнового диапазона (при­близительно от 35 до 100 м), так как при уменьшенной концентра­ции электронов в слое F 2 более короткие волны прошли бы сквозь ионосферу даже при малом угле возвышения. Потери в расположенных ниже слоях не столь опасны, ибо слой D ночью исчезает, а ионизация слоя Е сильно уменьшается.

Волны, занимающие участок между «дневными» и «ночными» (приблизительно от 25 до 35 м), успешно применяются для связи в часы полуосвещённости. Следует, конечно, помнить, что точное разграничение этих трёх участков коротковолнового диапазона невозможно, так как их границы зависят от сезона и от фазы 11-летнего периода солнечной активности.

При приёме пространственных коротких волн наблюдаются беспорядочно возникающие изменения напряжённости электри­ческого поля, с которыми связаны замирания и возрастания силы приёма. Замирания здесь бывают глубже и следуют друг за дру­гом чаще, чем на средних волнах.

На коротких волнах замирание обычно является ре­зультатом интерференции нескольких лучей, отражённых от ионо­сферы.

Основные пути борьбы с вредным действием замираний - автоматическая регулировка усиления и приём на разнесённые ан­тенны (а иногда и на антенны с взаимно перпендикулярной поля­ризацией).

На корот­ких волнах при удалении приёмника от передатчика часто наблюдается сначала уменьшение слышимости вплоть до полного её прекращения, а затем при большем удалении восстанавливается нормальный приём сигналов. Следовательно, между двумя зонами слыши­мости существует зона молчания.

Диапазон, ограниченный частотами 30 МГц ( = 10 м) и 30000 МГц ( см), называется диапазоном ультракоротких волн, (УКВ). В свою очередь, этот диапазон делится на волны метровые (К от 10 м до 1 м), дециметровые (К от 1 м, до 10 см) и сантиметровые ( от 10 см до 1 см). Волны короче 1см назы­ваются миллиметровыми и субмиллиметровыми волнами.

Связь и радиовещание на ультракоротких волнах имеют очень важные преимущества по сравнению с длинноволновой и корот­коволновой связью и радиовещанием. Передачи телевидения во­обще возможны лишь на УКВ.

Первое преимущество - возможность передачи значительно более широкого спектра частот сигнала (например, много радио­телефонных каналов или же телевизионный канал)

Второе преимущество ультракоротких волн - высокая направленность действия антенн в сторону корреспондента.

Ещё одним достоинством связи на УКВ, обеспечиваемым в полной мере при наличии прямой (геометрической) видимости между антеннами корреспондирующих станций, следует считать её устойчивость, т. е. постоянство уровня сигнала в приёмнике вне зависимости от часов суток, времени года и других внешних причин.

Требование прямой видимости между антеннами УКВ радиостанций, которое в течение десятилетий ограничивало примене­ние этого диапазона, вытекает из прямолинейности распростра­нения основного потока энергии этих волн.

Рис. 7. Особенность распространения

радиоволн различных диапазонов.

Лишь в пятидесятых годах стала возможна непосредственная дальняя связь на УКВ. Такая связь обеспечивается, во-первых, рассеянием УКВ на неоднородностях тропосферы, во-вторых, рас­сеянием на неоднородностях ионосферы и отражением от ионизированных следов метеоров и, в-третьих, ретрансляцией через искусственные спутники Земли.

Возможность дальней (и притом регулярной, сравни­тельно устойчивой) связи на УКВ создаётся рассеянием их энер­гии в местных (локальных) неоднородностях тропосферы. Такие неоднородности постоянно создаются и распадаются благодаря вихревым движениям воздуха. Они могут иметь либо плоскую, либо шарообразную форму. Лучи ультракоротких волн, проходя сквозь тропосферные неоднородности, испытывают частичное от­ражение рассеянного характера. Рассеянные лучи преимущественно направлены вперёд, и некоторая их часть до­стигает Земли в точках, отстоящих от пункта излучения на расстояниях, исчисляемых сотнями километров.

Другая возможность дальней связи на ультракоротких вол­нах - связь за счёт рассеяния волн в ионосфере. В нижних слоях ионосферы, особенно в слое D, есть неоднородности электронной концентрации. Эти неоднородности также рассеивают часть энергии проходящих сквозь них радиоволн, как рассеивали неод­нородности тропосферы.

Однако связь при по­мощи рассеянного отражения от неоднородностей в ионосфере имеет специфические свойства.

Метеор оставляет после себя ионизированный «след», рассеивающийся за промежуток времени от десятых долей секун­ды до нескольких секунд. Средняя длина следа, сохраняющего высокую плотность ионизации, принимается при расчётах равной 25км. Плотность ионизации метеорного следа достаточна для того, чтобы отражение метровых волн носило характер скорее зеркаль­ного, нежели рассеянного Рис. 8. При благоприятных сочетаниях на­правления метеорного следа и направления трассы связи поток энергии отражённых волн имеет гораздо большую плотность, не­жели поток рассеянных волн. Этим и объясняется повышенный уровень сигнала при метеорном отражении.

Геометрическое построение показывает, что метеорная связь возможна приблизительно от 700 до 2000км, как и ионосферная. Наибольший эффект в пункте приёма дают метеоры, перпендикулярные плоскости распространения радиоволн между пунктами передачи и приёма. Что касается диапазона волн, то выгодны частоты 30-60 Мгц (волны от 10 до 5м), так как для отражения более коротких волн уже значительная часть следов оказывается недостаточной.

Рис.8. Схема связи с отражением от метеорного следа.

Радиоволны – это электромагнитные волны, диапазон частот которых изменяется в пределах Гц. Такое ограничение диапазона сделано условно. Указанный спектр частот принято классифицировать по соответствующим диапазонам (таблица 5.1).

Таблица 5.1. Классификация радиоволн по диапазонам.

Нижняя граница		Диапазон	Верхняя граница
		Радиоволны инфразвуковых и звуковых частот
		Сверхдлинные волны (СДВ)
		Длинные волны (ДВ)
		Средние волны (СВ)
		Короткие волны (КВ)
		Ультракороткие волны:
		метровые (МВ)
		дециметровые (ДМВ)
		сантиметровые (СМВ)
		миллиметровые (ММВ)
		Оптические волны:
		инфракрасные (ИКЛ)
	(0,75 мк = 7500 А)	видимый свет
	(0,4 мк = 4000 А)	ультрафиолетовые (УФЛ)		(0,1 мк = 1000 А)

Часто удобно выразить частоту радиоволн не в герцах, а в производных единицах измерения. Для этого применяют следующие единицы:

1 мГц (миллигерц) =
Гц,

1 кГц (килогерц) = Гц,

1 МГц (мегагерц) = Гц,

1 ГГц (гигагерц) = Гц,

1 ТГц (терагерц) = Гц.

Предметом нашего изучения являются свободно распространяющиеся радиоволны. Под свободно распространяющимися радиоволнами понимают радиоволны, распространяющиеся в среде без направляющей системы. Волны могут распространяться в атмосфере, толще Земли и океане, но никакой линии передачи в виде жесткой конструкции не применяют.

Свободно распространяющиеся волны применяются для радиосвязи, радиолокационного наблюдения, телеуправления и решения других многочисленных практических задач. В любом случае используют линию связи, называемую радиолинией. Радиолиния включает три составные части: передатчик, приемник и среду, в которой происходит распространение волны. В радиолиниях со свободно распространяющимися волнами средой является природная среда. Именно в ней происходит распространение электромагнитных волн из пункта передачи (А) в пункт приема (В). Радиолинии классифицируют по трем типам:

Простейшая радиолиния.

Радиорелейная линия связи.

Вторичная радиолиния.

Рассмотрим признаки каждой радиолинии из приведенных типов.

Простейшая линия содержит передатчик и приемник, расположенные на ее концах (рис.5.1).

Рис.5.1 Простейшая радиолиния:

А - передатчик, В – приемник.

На рис.5.1 показано, что сигнал выходит из пункта передачи А и приходит в пункт приема В за счет отражения от слоя ионосферы, т. е. схематично показан вид односкачковой трассы.

Однако далеко не всегда можно обеспечить связь с помощью простейших линий. Часто рельеф местности является сложным и сигнал в пункт назначения может прийти за счет промежуточных релейных (трансляционных) станций. На рис.5.2 приведена схема такой радиорелейной линии связи .

Рис.5.2 Радиорелейная линия связи:

и В – оконечные станции;
- промежуточные станции.

Каждый участок радиорелейной линии связи можно рассматривать как простейшую линию связи.

Для научных исследований часто применяют вторичные линии связи , в которых изучаемый сигнал облучает некоторое инородное тело (метеор, дождевое облако и др.), что приводит к рассеянию радиоволны. Среди рассеянных радиоволн найдется волна, которая дойдет до приемника (рис.5.3).

Рис 5.3 Вторичная радиолиния:

А – передатчик, В – приемник, С – облучаемый объект.

Радиоволны можно классифицировать по способу распространения. Такая классификация позволяет выделить следующие типы волн.

Свободно распространяющиеся волны – это волны, траектория которых близка к прямолинейным траекториям.

Земные волны – это волны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли. Земные волны также называют поверхностными волнами. Они способны частично огибать поверхность Земли за счет явления дифракции.

Тропосферные волны – это волны, распространяющиеся на значительные расстояния (до ≈ 1000 км) за счет рассеяния их в тропосфере и направляющего (волноводного) действия тропосферы. Напомним, что тропосфера – это нижний слой атмосферы. Верхняя граница тропосферы соответствует ≈ 15 км, характерная особенность такой границы заключается в постоянстве температуры, т.е. grad T=0. Тропосферными волнами распространяются волны, длина волны которых λ<10 м.

Ионосферные волны - это волны, распространяющиеся на большие расстояния и огибающие земной шар за счет многократного отражения от ионосферы. Ионосферными распространяются волны, длина волны которых λ>10 м, т.е. к ионосферным волнам относят волны КВ, СВ, ДВ и СДВ диапазонов. Следует иметь в виду, что метровые волны также могут распространяться как ионосферные – за счет рассеяния на неоднородностях ионосферы и отражений от метеорных следов.

5.2. Распространение радиоволн в свободном пространстве

Пусть в свободном пространстве (однородной непоглощающей среде с ε=1,μ=1) помещен точечный излучатель, к которому подведена мощность . Такой излучатель равномерно излучает энергию во все стороны пространства, волновая поверхность распространяющейся волны представляет собой сферическую поверхность (рис.5.4).

Рис.5.4. Сферический фронт волны от точечного излучателя

После начала излучения волны радиус сферического фронта будет иметь значение r . Распространяясь, волна переносит энергию, плотность потока которой через единичную площадку за единицу времени (модуль вектора Пойнтинга) определяется формулой:

, , (5.1)

где r – радиус сферической волны.

Среднее значение плотности потока энергии за период времени Т определяют из формулы:

, , (5.2)

где -действующее значение напряженности электрического поля, -действующее значение напряженности магнитного поля.

Связь между действующими значениями напряженностей электрического и магнитного полей выражается формулой:

(5.3)

где -волновое сопротивление свободного пространства, определяемое, как известно,
Ом.

Исходя из формул (5.2, 5.3) можно для модуля вектора Пойнтинга записать:

, . (5.4)

В нашем случае речь идет об одном и том же процессе излучения электромагнитной энергии точечным источником, поэтому на основании (5.1) и (5.4) запишем равенство:

. (5.5)

Из равенства (5.5) определим:

(5.6)

где - подведенная к излучателю мощность,r – расстояние,-действующее значение напряженности электрического поля.

В реальных условиях трассы в пунктах передачи используют антенны, предназначенные для концентрации излучаемой энергии в определенном направлении, т.е. служащие направленному излучению волны. Для учета направленных свойств антенны ввели параметр – коэффициент направленного действия (КНД), выражающий степень направленности. Обозначим КНД через D. Все параметры, относящиеся к передающим устройствам, будем снабжать индексом 1 , к приемным устройствам – индексом 2 . Например, мощность подводимую к излучающей антенне в пункте передачи обозначим Р 1 , коэффициент ее направленности – D 1 , Соответствующие обозначения для приемной антенны будут Р 2 , D 2 .

Определим сущность понятия КНД. Предположим, что рядом расположены две антенны: направленная А и всенаправленная В . На рис.5.5 показаны схематично диаграммы направленности обеих антенн.

Рис.5.5. Диаграммы направленности антенн, направленной (А) и изотропной (В).

Пусть к обеим антеннам подводятся одинаковые мощности . Очевидно, что в пункте приема, находящемся на достаточно удаленном и одинаковом для обоих случаев расстоянии r 0 , напряженность поля, идущего от направленной антенны будет больше по сравнению с ненаправленной. Это обусловлено концентрацией энергии направленной антенной в требуемом направлении. Для того чтобы получить такую же напряженность поля, но от изотропного излучателя (всенаправленной антенны), необходимо увеличить мощность , подводимую к антенне.

Коэффициент направленного действия (КНД) показывает во сколько раз необходимо увеличить мощность, подводимую к изотропному излучателю, чтобы получить такую же напряженность поля в пункте приема, как создаваемую направленной антенной.

КНД является безразмерной величиной. В дальнейшем покажем, что КНД измеряют в децибелах (дБ). Учитывая направленность передающей антенны, формула действующего значения напряженности поля примет вид:

, . (5.7)

Амплитудное значение напряженности поля, пришедшего в пункт приема, находится соответственно:

, . (5.8)

Мгновенное значение напряженности электрического поля, т.е. значение поля, принимаемого в данный конкретный момент времени определяется:

,,(5.9)

где r – расстояние,
- волновое число,с – скорость света, ω – циклическая частота, - мощность, подводимая к передающей антенне,-КНД передающей антенны.

Мгновенное значение напряженности электрического поля можно записать в комплексной форме:

, . (5.10)

В приведенных выше формулах (5.7 – 5.10) физические величины измеряют в международной системе измерения СИ. Для практических расчетов расстояние лучше измерять в километрах, а не метрах, мощность – в киловаттах, а не ваттах. Поэтому, выражая мощность в киловаттах
, расстояниеr в километрах
, получим напряженность поля, выраженную в милливольт на метр(мВ/м) . Учитывая введенные единицы измерения, в формулах напряженности поля числовой коэффициент изменит свое значение. Итак, для практических расчетов действующего значения распространения радиоволн в свободном пространстве при напряженности электрического поля применяем формулу:

, . (5.11)

Для амплитудного значения напряженности электрического поля формула примет вид:

, . (5.12)

Единицы измерения входящих в формулы (5.11), (5.12) физических величин записаны в виде индексов. Передающая и приемная антенна расположены на плоской поверхности земли на расстоянии r между собой. Покажем простейшую радиотрассу в виде схемы (рис.5.6)

Рис.5.6. Схема простейшей радиотрассы.

Необходимо определить значение мощности, поступающей на вход приемника. Очевидно, что для определения требуемой мощности необходимо знать модуль вектора Пойнтинга, пришедшего в раскрыв приемной антенны
и учесть площадь раскрыва антенны, с помощью которого «собирается» вся приходящая энергия волны. Предварительно введем понятиеэффективной площади антенны
, которая в антенно-фидерной технике определяется формулой:

(5.13)

где -КНД приемной антенны, λ – длина волны. Плотность потока энергии, поступающей в раскрыв антенны
,определим на основании формулы (5.1), т.е.

Тогда мощность, поступающая на вход приемного устройства, определяется:

,
. (5.14)

При проектировании радиолиний удобно пользоваться понятием о потерях энергии, происходящих при распространении. Потери энергии определяют формулой:

(5.15)

где индекс св указывает, что речь идет о потерях при распространении в свободном пространстве. Исключим влияние антенн, т.е. положим
(обе антенны являются изотропными излучателями). Тогда из формулы (5.15) получимосновные потери энергии, связанные исключительно только с распространением в свободном пространстве.

(5.16)

Потери энергии выражают обычно в децибелах (дБ) на основании формулы:

Таким образом, получим формулу

Из формулы (5.17) видно, что направленность антенны КНД выражают в дБ. В практических расчетах любое математическое отношение можно выразить децибелах. Для КНД, выраженного в децибеллах следует использовать формулу:

дБ, (5.18)

где - мощность, равная одному ватту, т.е.=1Вт. Тогда отношениеполучается безразмерной величиной.

Рассмотрим пример .

Определить величину основных потерь при распространении электромагнитной волны в свободном пространстве в случаях:

а) длина волны
м и расстояние между пунктами связиr =10 км;

б) длина волны
см и расстояние между пунктами связиr =
км.

Решение : для определения величины основных потерь используем формулы

Расчеты показали следующие значения основных потерь:

а) =39,3 или=15,9 дБ;

б) =
или=252 дБ.

Из полученных значений заключаем, что логарифмическая шкала является более удобной в использовании, т.к. имеет существенно меньшие пределы изменения значений.

При распространении радиоволн в реальных условиях происходит поглощение энергии волны и другие потери. Например, в процессе распространения земной волной происходят потери за счет частичного проникновения волны в толщу земной поверхности. Поэтому для учета ослабления поля радиоволны в реальных условиях вводят множитель ослабления F . В этом случае расчет действующего значения напряженности поля в пункте приема производят по формуле:

, , (5.19)

где F – множитель ослабления, r – путь, проходимый волной от пункта передачи до приемного пункта. Таким образом, определить действующее значение напряженности поля на конце радиолинии можно, если будем знать значение множителя ослабления. Задача определения множителя ослабления F является главной при проектировании радиолиний.

Для расчета любой трассы необходимо правильно выбрать метод расчета множителя ослабления. В дальнейшем рассмотрим некоторые методы расчета радиотрасс.

Широко применяются радиоволны, распространяющиеся земной волной. Прежде чем приступить к изучению метода расчета множителя ослабления F для таких радиолиний, обратим внимание на особенности земной поверхности.

5.3. Учет электродинамических параметров земной поверхности

Распространение земных радиоволн происходит непосредственно вблизи поверхности, которая весьма разнообразна. Это может быть и морская поверхность, и пустыня, и лес, и застроенный город и др. С точки зрения электродинамики любая среда характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε, относительной магнитной проницаемостью μ и удельной проводимостью σ. В таблице 5.2 приведены значения электрических параметров различных видов земной поверхности.

Таблица 5.2 Электрические параметры различных видов земной поверхности

Из таблицы 5.2 видно, что электродинамические параметры среды ε и σ зависят от длины волны (частоты) используемого диапазона. При распространении радиоволн возникает вопрос: с точки зрения проводящих свойств, какой средой является подстилающая поверхность? Как известно, все среды по свойству проводимости классифицируют на проводники, диэлектрики и полупроводники. Интересующий вопрос можно сформулировать в виде: что представляет собой конкретная подстилающая поверхность для радиоволны: проводник, диэлектрик или полупроводник?

Ответ на поставленный вопрос найдем с помощью первого уравнения Максвелла, которое для полупроводящей среды имеет вид:

.

Положим, что напряженность электрического поля изменяется по гармоническому закону в виде
Выразим напряженность электрического полячерез производную по времени:

Подставляя в первое уравнение Максвелла, получим

(5.20)

Как известно, для диэлектрической среды уравнение Максвелла имеет вид:

(5.21)

Сравнивая уравнения (5.20) и (5.21) отмечаем, что можно ввести абсолютную комплексную проницаемость в виде

, (5.22)

которая играет роль диэлектрической проницаемости полупроводящей среды.

В расчетах удобно пользоваться относительной диэлектрической проницаемостью, которая определяется формулой

или можно записать

, (5.23)

где λ – длина волны, ε – относительная диэлектрическая проницаемость, σ – удельная проводимость.

Напомним, что плотность тока смещения определяется
, плотность тока проводимости
.

При распространении радиоволны над конкретной поверхностью Земли необходимо знать, какие из плотностей токов (смещения или проводимости) в ней преобладают. Найдем отношение

, или

(5.24)

На основании (5.24) можно классифицировать вид подстилающей поверхности следующим образом:

Таким образом, чтобы выяснить над какой поверхностью происходит распространение радиоволн, необходимо сравнить между собой ε и 60λσ.

Расчет радиотрассы УКВ диапазона земной волной над плоской поверхностью Земли

Наиболее простой метод расчета радиотрассы применяют в случае распространения радиоволн при небольших расстояниях между пунктами передачи и приема. Считаем поверхность Земли является плоской и однородной на протяжении всей трассы. Изучим метод расчета такой трассы для УКВ диапазона, в котором применяются поднятые антенны.

Поднятая антенна – это антенна, у которой фидерный (питающий) тракт не излучает и в высоту антенны укладывается несколько длин волн.

Рассмотрим трассу, схема которой показана на рис.5.7.

Рис.5.7. Схема радиотрассы УКВ диапазона.

Пусть в пункте передачи А антенна поднята на высоту , в пункте приема В – на высоту . Б.А.Введенский в 1922 году предложил, что в месте приема электромагнитное поле можно рассматривать как интерференцию двух лучей: прямого1 и отраженного от Земли 2 . Лучи, выходя из одного источника, являются когерентными, поэтому в пункте В лучи 1 и 2 будут интерферировать между собой.

Действующее значение напряженности поля подсчитаем из известной формулы:

, .

Задача сводится к нахождению множителя ослабления F .

Мгновенное значение напряженности поля прямого луча определяется:

, , (5.25)

Мгновенное значение напряженности поля отраженного луча:

, , (5.26)

где - комплексный коэффициент отражения,- значение пути, проходимого отраженным лучом,∆r – разность хода между прямым и отраженным лучом. Причем

Сделаем следующие ограничения:

Учитывая сделанные допущения, мгновенное значение напряженности результирующего поля в пункте В найдем

, , (5.27)

где
- угол изменения фазы при отражении,
-набег фазы за счет разности хода прямого и отраженного лучей.

В формуле (5.27) выполним преобразование сомножителя, стоящего в квадратных скобках:

где

Тогда формула (5.27) с учетом преобразования принимает вид:

.(5.28)

Сравнивая формулу (5.28) с формулой
заключаем, что множитель ослабленияF определяется равенством:

(5.29)

где R – коэффициент отражения, Θ – фаза коэффициента отражения,
-набег фазы за счет разности хода между лучами.

Действующее значение напряженности результирующего поля определяется формулой:

.(5.30)

В эту формулу входят три неизвестные величины: R – модуль коэффициента отражения, Θ – угол изменения фазы при отражении,
-разность хода лучей.

Из электродинамики известно, что R и Θ можно определить, если знать угол скольжения γ (рис.5.7). Можно показать, что угол скольжения определяется:

, (5.31)

где
- высоты антенн,r – расстояние между пунктами передачи и приема.

Разность хода
определяется выражением

.(5.32)

Из формулы (4.38) видно, что множитель ослабления является величиной переменной. В случае, когда функция
=1,значения множителя ослабления являются максимальными
; если
=-1 , то и множитель ослабления принимает минимальные значения
. Отсюда видно, что название множителя ослабления носит условный характер. На рис.5.8 показана зависимость множителя ослабления от расстояния.

Рис.5.8. Зависимость множителя ослабления от расстояния при конечном значении коэффициента отражения.

Во многих случаях формулу (5.29) можно упростить. Так, при малых значениях угла скольжения γ для большинства видов земной поверхности коэффициент отражения можно принять
, а угол изменения фазы при отражении
.

Принимая указанные значения
и
, можно после преобразования множителя ослабления получить преобразованную формулу множителя ослабленияF:

. (5.33)

Формула (5.33) характеризует интерференционную структуру поля. Изменение расстояния r , как видно из формулы (5.33), приводит к чередованию максимальных и минимальных значений синуса. Можно определить такие расстояния r , на которых
множитель ослабления принимает только максимальные или минимальные значения.

Максимальные значения множитель ослабления F достигает на расстояниях

, (5.34)

где n =0,1,2,… Первый максимум наблюдается со стороны больших расстояний, т.е.

Минимальное значение множителя ослабления F достигается на расстояниях:

. (5.35)

Первый минимум расположен на расстоянии
от передатчика.

Из формулы (5.35) видно, что максимальное значение множителя ослабления соответствует
, минимальное -
. На рис.5.9 показан график зависимости множителя ослабленияF от расстояния при R=1.

Рис.5.9. Зависимость множителя ослабления от расстояния при R =1.

Формулы для расчета напряженности поля в пункте приема называют интерференционными формулами .

Расчет радиотрасс СВ, ДВ, СДВ диапазонов при распространении земными волнами

Очевидно, что для диапазонов волн СВ, ДВ, СДВ, приведенный выше метод расчета неприемлем. Для таких диапазонов разработан иной метод расчета, учитывающий принципиальные особенности, свойственные именно перечисленным диапазонам. В чем заключаются эти особенности?

Установлено, что для перечисленных выше диапазонов свойственны следующие особенности:

1) при работе в СВ, ДВ, СДВ диапазонах применяют антенны, расположенные вблизи земной поверхности;

2) в перечисленных диапазонах земная волна распространяется над земной поверхностью, обладающей проводящими свойствами, т.к. выполняется неравенство ε << 60λσ. В этом случае волна не может распространяться в земной поверхности, следовательно, вся энергия волны распространяется в верхней полусфере. В результате значение модуля вектора Пойнтинга увеличивается в два раза, а напряженность поля в
. В этом случае действующее значение напряженности поля для СВ, ДВ, СДВ диапазонов определяется формулой

(5.36)

Формула (5.36) называется формулой идеальной передачи или формулой Шулейкина-ван-дер-Поля.

Рассмотрим метод расчета действующего значения напряженности поля в пункте приема В, причем антенны расположены вблизи поверхности Земли (рис.5.10).

Рис.5.10. Схема радиотрассы земной волной для СВ-СДВ диапазонов.

В пункте передачи А непосредственно у поверхности земли расположена антенна передатчика. Вдоль поверхности, обладающей диэлектической проницаемостью ε и удельной проводимостью σ , распространяется электромагнитная волна. Для расчета напряженности поля по формуле (5.36) необходимо определить множитель ослабления.

Множитель ослабления F является функцией безразмерного параметра x , который называют численным расстоянием и определяют:

(5.37)

где r – расстояние между пунктами передачи и приема, s – масштаб расстояний, - комплексная диэлектрическая проницаемость подстилающей поверхности,
.

Подставляя значение относительной комплексной диэлектрической проницаемости, получим из формулы (5.37) значение x :

. (5.38)

В зависимости от вида поверхности формулу (5.38) можно видоизменить. В таблице 5.3 приведены конкретные виды поверхности и соответствующие каждой из них формулы расчета численного расстояния x .

Таблица 5.3. Формулы расчета численного расстояния x для различных видов

земной поверхности.

В приведенные формулы расчета x (таблица 5.3) необходимо подставлять значения входящих величин, измеренных в Международной системе СИ. Определив численное значение x , находят множитель ослабления F по графикам Берроуза, приведенным на рис. 5.11.

По оси абсцисс отложены значения 2х , по оси ординат – множитель ослабления F. Графики множителя ослабления приведены для двух видов поляризаций: вертикальной и горизонтальной при разном параметре Q. Параметр Q определяет отношение плотности тока смещения к плотности тока проводимости
. Из рис.5.11 видно, что при малых значенияхх все кривые стремятся к значению F =1 . Для значений х>25 кривые зависимостей множителя ослабления сливаются.

Если при расчете под руками не оказалось графиков Берроуза, то множитель ослабленияF можно вычислить по приближенной формуле

(5.39)

где х – численное расстояние.

Если значение х>25, то формула (5.39) принимает вид:

(5.40)

Формулой Шулейкина-ван-дер-Поля можно пользоваться при небольших расстояниях радиолинии, когда влиянием Земли можно пренебречь.

Сравнение результатов экспериментальных данных и выполненных теоретических расчетов позволило выявить ориентировочные значения максимальных расстояний, при которых применим расчет с помощью Шулейкина-ван-дер-Поля. В таблице 5.4 приведены эти значения расстояний.

Таблица 5.4. Максимальные расстояния, для которых применим метод

Шулейкина-ван-дер-Поля.

Таким образом, для расчета радиотрассы диапазонов волн СВ, ДВ, СДВ применяют метод Шулейкина-ван-дер-Поля.

Возникает вопрос: на какие расстояния могут распространяться земные волны? При каких условиях следует применять методы расчета земных волн? Для ответа на поставленные вопросы необходимо установить количественное соотношение, т.е. граничное условие применимости методов. К изучению поставленного вопроса перейдем с помощью нахождения расстояния прямой видимости.

Определение расстояния прямой видимости

Расстояние прямой видимости – это расстояние между пунктом передачи и приема радиоволн, определяемого по длине касательной, соединяющей эти пункты.

На рис.5.12 показано расстояние прямой видимости

Рис.5.12. Схема для расчета расстояния прямой видимости.

Радиус Земли обозначен а=6370 км , точка С является точкой касания прямой АВ на Земле. Высота передающей антенны обозначена , высота приемной антенны. Расстояния АС и СВ являются катетами прямоугольных треугольников ∆АСО и ∆ОСВ.

Таким образом, расстояние прямой видимости определяется

где а – радиус Земли, ,- высоты антенн.

Входящие в формулу (5.41) величины измеряются в системе СИ. На практике радиус Земли удобно измерять в километрах. В этом случае формула (5.41) принимает вид:

,км (5.42)

Подчеркнем, что формула (5.42) позволяет рассчитать расстояние прямой видимости, выраженное в километрах. Значение расстояния прямой видимости
позволяетустановить условие применимости методов расчета радиотрассы земными волнами.

Если длина радиотрассы
, то применим метод расчета трассы земной волной для соответствующего диапазона волн. Если расстояниеr заключено в пределах
,то такая область называется зоной полутени. Если r >1,2
,то эта область называется зоной тени. Для расчета трассы, длина которой попадает в область полутени и тени, применим дифракционный метод расчета, т.к. происходит огибание волнами поверхности Земли.

Представляет интерес распространение радиоволн в нижнем слое атмосферы – тропосфере, к изучению которого мы приступаем.

Влияние тропосферы на распространение земных волн

Тропосфера – это нижний слой атмосферы. Граница тропосферы простирается в полярных широтах до высоты 8-10 км, в тропиках - до 16-18 км. Тропосфера имеет постоянный относительный состав воздуха (только содержание водяных паров, зависящее от метеоусловий, резко уменьшается с высотой).

Важнейшее свойство тропосферы – убывание температуры с высотой, среднее значение градиента температуры составляет 5 град/км. Убывание температуры с высотой связано с тем, что тропосфера почти прозрачна для солнечных лучей, поэтому она пропускает лучи, которые нагревают земную поверхность. Нагретая поверхность Земли, являясь источником тепловой радиации, прогревает тропосферу снизу вверх.

Для тропосферы вводят понятие нормальной тропосферы , т.е. тропосферы с параметрами, выражающими среднее ее состояние. Нормальной тропосфере приписывают следующие параметры: у поверхности Земли давление составляет Р=1013 мбар , температура
, относительная влажность воздухаS=60%. Тропосферу рассматривают в виде смеси газов: сухого воздуха и водяного пара.

Состояние тропосферы описывается коэффициентом преломления тропосферы, который для нормальной тропосферы равен n =1,000325 . Видно, что таким значением пользоваться неудобно (изменяются только последние три цифры), поэтому ввели индекс преломления, который определяется соотношением:

, (5.43)

где n – коэффициент преломления.

Индекс преломления для нормальной тропосферы составляет , т.е.N =325.

Коэффициент преломления, соответственно, и индекс преломления зависят от состояния тропосферы. Для волн длиннее λ > 0,1 мм индекс преломления выражается формулой

(5.44)

где Т – температура, Р – давление, е – абсолютная влажность воздуха.

Индекс преломления, как видно из формулы (5.44), изменяется с высотой, т.к. меняется температура, давление и содержание водяных паров. Для нормальной тропосферы градиент индекса преломления составляет
,. Для практических расчетов используют значение

Тропосферу необходимо рассматривать как неоднородную диэлектрическую среду, коэффициент преломления n которой (значит и скорость распространения радиоволн) меняется с высотой. Т.к. тропосфера представляет собой неоднородную среду с меняющимся коэффициентом преломления, то ее можно рассмотреть как совокупность плоских слоев воздуха. Для каждого слоя имеется свое значение коэффициента преломления. Для двух соседних слоев коэффициенты преломления будут отличаться. В этом случае на границе раздела двух сред будет происходить явление преломления электромагнитных волн (рис.5.13).

Рис.5.13. Схема преломления радиоволны на границе раздела двух сред

На основании явления преломления волна будет отклоняться от прямолинейного распространения. В результате преломления траектория волны искривляется. Для характеристики кривизны траектории вводят понятие радиуса кривизны траектории , который определяется

, (5.45)

где -градиент индекса преломления.

Формула (5.45) показывает, что радиус кривизны луча определяется не абсолютным значением коэффициента преломления, а быстротой изменения его с высотой. Знак минус в формуле (5.45) указывает, что радиус кривизны будет положительным, т.е. траектория обращается выпуклостью вверх, если коэффициент преломления уменьшается с высотой.

Для нормальной тропосферы радиус кривизны траектории составляет

Выше, рассматривая распространение земных волн, предполагали, что они распространяются прямолинейно. В действительности, следует учитывать явление рефракции, приводящее к отклонению луча от прямолинейного распространения. Как учитывать рефракцию в реальных условиях распространения радиоволн?

Существует упрощенный способ учета влияния атмосферной рефракции. Суть предложенного способа заключается в том, что хотя электромагнитные волны в действительности распространяются по криволинейным траекториям, предположим, что распространение происходит прямолинейно. Причем радиоволны распространяются не над земной поверхностью, а над некоторой воображаемой поверхностью, имеющей эквивалентный радиус
(рис.5.14).

Рис.5.14. Траектория радиоволны: а - реальная поверхность; б - воображаемая поверхность.

Введем понятие относительной кривизны, которое определяется
, гдеa – радиус Земли, R - радиус кривизны траектории. Определим эквивалентный радиус
из условия равенства кривизны для случаева и б , изображенных на рис.5.14, т.е. запишем равенство

(5.46)

где а – радиус земной поверхности, R – радиус траектории,
- эквивалентный радиус поверхности, ∞ выражает радиус кривизны прямого луча.

Из равенства (5.46) выразим

(5.47)

или, подставив радиус кривизны траектории, получим

. (5.48)

Введем отношение эквивалентного радиуса к радиусу Земли:

(5.49)

Для нормальной тропосферы
≈8500км, к=4/3 .

Как реально учесть рефракцию в радиотрассе?

Прежде всего, рефракция учитывается при определении расстояния прямой видимости в этом случае формула расчета расстояния прямой видимости имеет вид

.(5.50)

Для нормальной атмосферной рефракции расстояние прямой видимости определяется выражением

. (5.51)

Таким образом, основные физические величины, с помощью которых учитывается рефракция, сводятся к следующим:

Все перечисленные величины зависят от градиента индекса преломления ,который изменяется в достаточно широких пределах. В зависимости от значения градиента рефракция проявляется по-разному, поэтому рефракцию классифицируют на три группы: отрицательную, нулевую и положительную.

Отрицательная рефракция – это рефракция, при которой градиент индекса преломления увеличивается, т.е. > 0.

Положительная рефракция – это рефракция, при которой градиент индекса преломления уменьшается, т.е. < 0.

Нулевая рефракция – это отсутствие рефракции, т.е.= 0.

В таблице 5.5 приведены основные характеристики разных видов рефракций.

Таблица 5.5. Классификация различных видов рефракции.

В таблице 5.5 приведены также действительные и эквивалентные траектории радиоволн. Отметим, что режим сверхрефракции возникает в ограниченной области высот тропосферы, где <-0,157 1/м , т.е. индекс преломления убывает значительно быстрее, чем при нормальной рефракции.

Распространение радиоволн в условиях пересеченной местности и при наличии препятствий

Выше рассмотрены методы расчета радиотрасс, проходящих над плоской поверхностью Земли. В реальных условиях типичным ландшафтом материков является холмистая или слабопересеченная местность. Степень пересеченности местности определяется соотношением между длиной волны λ и высотой холмов . В условиях работы на ДВ и СВ диапазонах слабопересеченную местность с высотой холмов
можно считать гладкой поверхностью. В диапазоне УКВ ту же местность следует считать пересеченной.

В пересеченной местности холмы перекрывают область пространства, в которой происходит распространение электромагнитного поля, т.е. они экранируют область распространения электромагнитного поля, и тем самым вызывают эффект ослабления волны. Задача проектирования линии связи сводится к такому расположению антенн в пунктах передачи и приема, чтобы не происходило экранирования энергии поля.

Типичные условия, в которых проходит радиорелейная линия, показаны на рис. 5.15.

Пусть пункт передачи размещен в точке А, пункт приема – в точке В, в промежуточных точках РРЛ, соответствующих C,D расположены смежные станции. Энергия волны, заключенная в заштрихованной области (рис. 5.15), представляет зону Френеля.

Обозначим через
расстояния между холмами, тогда радиусы первой зоны Френеля над точкамиC и D находятся из формул:

и

Высоты антенн в пунктах А и В надо выбрать с таким расчетом, чтобы «просветы» над холмами C и D превышали значения и .

В расчетах следует учитывать сферичность Земли. Проще это можно сделать графическим методом. В основу построения положена формула для дальности горизонта, имеющая вид

(5.52)

Формула (5.52) является уравнением параболы, по оси абсцисс х отсчитываются расстояния, по оси ординат y – высоты. Профиль гладкой поверхности Земли рассчитывают по формуле:

(5.53)

где r – общая длина линии связи.

В расчетах необходимо учитывать, что Земля с точки зрения геометрии является параболоидом вращения. Поэтому для учета кривизны поверхности Земли необходимо использовать масштабную сетку. На рис. 5.16 показана масштабная сетка для построения земной поверхности.

Рис. 5.16 Масштабная сетка для построения земной поверхности

На сетку необходимо нанести профиль радиотрассы, с помощью которой можно определить необходимые высоты антенн, применяемых для обеспечения зоны прямой видимости между пунктами А и В. Пример такого профиля трассы показан на рис. 5.17.

Рис. 5.17 Пример профиля трассы

На рис. 5.17 видно, что прямая АВ, проведенная между пунктом передачи и приема, проходит выше вершин холмов, расположенных на пути радиоволны.

Распространение радиоволн при наличии на пути экранирующих препятствий

Пусть на пути между пунктами передачи и приема существует резко выраженное какое-либо препятствие. Рассмотрим случай, когда такое препятствие можно рассматривать в виде клиновидного непрозрачного препятствия. На рис. 5.18 приведены примеры таких препятствий, возникающих на пути АВ.

Рис. 5.18 Примеры расположения клиновидных припятствий

На рис. 5.18а препятствие не пересекает прямую АВ, а только вклинивается в область пространства в которой распространяется основная часть энергии волны. На рис. 5.18б препятствие пересекает прямую АВ. Для разграничения таких случаев условились считать, что просвет Н будет принимать различные знаки, т.е. в случае рис. 5.18а просвет имеет отрицательный знак Н<0 , в случае рис. 5.18б – положительный Н>0 .

В расчете радиотрасс для таких случаев применяют теорию оптической дифракции. Множитель ослабления F рассчитывают по формуле

(5.54)

где
а
и
-интегралы Френеля, определяемые соответственно по формулам

(5.55)

где параметр
b - радиус первой зоны Френеля в месте расположения препятствия, Н – высота экрана, которая может принимать положительные и отрицательные значения (рис. 5.18).

Расчет множителя ослабления F по формулам (5.54) показывает, что зависимость от параметра v имеет вид, приведенный на рис. 5.19.

Если параметр v>2, то множитель ослабления можно рассчитать по формуле

Для расчета радиотрассы УКВ диапазона следует учесть следующие обстоятельства. На краю непрозрачного клиновидного экрана происходит дифракция. Причем дифрагирует не только прямая волна АВ, но и волны отраженные от поверхности Земли на участках между передающей антенной и экраном. Таким образом, в пункте приема В происходит сложение (интерференция) пришедших волн.

В принципе может случиться, что фазовые соотношения приобретут такие значения, что напряженность поля в месте расположения приемной антенны будет в несколько раз превышать поле, созданное одним лучом.

Отметим, что форма встречаемых препятствий весьма многообразна и в настоящее время пока не создано надежных аналитических методов расчета радиотрасс.

Бредов М.М., Румянцев В.В., Топтыгин И.Н. Классическая электродинамика. – СПб.: Изд-во «Лань», 2003. – 400 с.

Головин О.В., Чистяков Н.И., Шварц В., Хардон Агиляр И. Радиосвязь. – М.: Горячая линия –Телеком, 2001. - 288 с.

Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн. – М.: Радио и связь, 2000. - 559 с.

Боков Л.А. Электродинамика и распространение радиоволн. Электромагнитные поля и волны. – Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2001. – 217 с.

Крыжановский В.Г. Техническая электродинамика. – Донецк: ДонГУ, 2003. – 116 с.

Долуханов М.П. Распространение радиоволн. – М.:Связь, 1972. - 336 с.

Баскаков С.И. Основы электродинамики. – М.:Сов. радио, 1973. - 248 с.

Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. – М.: Наука, 1989. – 544 с.

Красюк Н.П., Дымович Н.Д. Электродинамика и распространение радиоволн. – М.: Высшая школа, 1974. - 536 с.

Фальковский О.И. Техническая электродинамика. Учебник для вузов связи. – М.: Связь, 1978. - 432 с.

Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. – М.:Сов. радио, 1971. - 664 с.

Кугушев А.М., Голубева Н.С., Митрохин В.Н. Основы радиоэлектроники. Электродинамика и распространение радиоволн. – М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2001. – 368 с.

Диденко А.Н., Зверев Б.В. СВЧ – энергетика. – М.: Наука, 2000. - 264 с.

Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. – М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1963. – 360 с.

5.5.2. Информационные характеристики канала связи

5.6. Основы теории кодирования

5.6.1. Основные понятия и определения

5.6.2. Классификация кодов

5.6.3. Основные задачи теории кодирования

5.6.4. Помехоустойчивые блочные систематические коды

5.7. Основы сетей электросвязи

Глава 6. Авиационная электросвязь

6.1. Классификация и предназначение авиационной электросвязи

6.2. Современное состояние и перспективы развития авиационной электросвязи в соответствии с системой cns/atm

6.2.1. Существующая система авиационной электросвязи

6.2.2. Перспективная концепция связи

6.3. Сети авиационной фиксированной электросвязи

6.4. Сети авиационной воздушной электросвязи

6.5. Аэронавигационная телекоммуникационная сеть atn

6.6. Протоколы информационного обмена авиационной сети электросвязи (atn)

6.6.1. Анализ протоколов бортовой подсети

6.6.2. Протоколы подсети «воздух-земля»

Существующие режимы линии передачи данных мв подсети acars, vdl-2, vdl-2 и vdl-4 рассмотрены выше.

6.6.3. Анализ протоколов подсети «земля-земля»

6.6.4. Возможность использования сети на основе протоколов х.25

6.6.5. Возможности использования технологии FrameRelay

6.6. Авиационное радиовещание

Глава 7. Средства авиационной электросвязи

7.1. Классификация объектов и средств авиационной электросвязи

7.2. Средства радиосвязи овч диапазона

7.2.1. Радиосредства серии «Фазан-19»

Основные технические характеристики наземных средств радиосвязи овч-диапазона

7.2.3. Радиооборудование серии «r&s Series 200»

Основные технические характеристики радиосредств Фазан-19

Технические характеристики многоканальных овч-приемникa r&s eu230a, увч-приемникa r&s ed230a приведены в табл. 7.3.

Технические характеристики многоканальных

Технические характеристики овч передатчикa r&s su250a, увч передатчикa r&s sd230a

7.2.2. Радиосредства серии «Серия 2000»

Основные этх радиопередатчика Серии 2000

Основные этх радиоприёмника Серии 2000

7.2.3. Автономные радиоретрансляторы овч-диапазона

Многофункциональный автономный радиоретранслятор "габик"

Автономный радиоретранслятор «анр-1»

Основные этх аррт «анр-1»

7.2.4. Автоматизированные приемо-передающие центры

Автоматизированный приемо-передающий центр на основе радиосредств Фазан-19

Автоматизированный приемо-передающий центр на основе радиосредств серии 2000

7.2.4. Алларатура и оборудование высокочастотных трактов радиоцентров овч-диапазона

Основные технические характеристики шау «Вятка»

Электрические характеристики if-1Av-125-r/2

7.5. Антенны, антенные комплексы, антенные поля

Технические характеристики антенного устройства анк-100-150

Основные технические характеристики антенн овч-диапазона

Основные технические характеристики антенны оа 2004v

Основные технические характеристики антенны оа 2001v

7.2.6. Бортовые радиостанции овч-диапазона

Основные технические характеристики радиостанций «Юрок» и «Бриз»

5. Выключатель аварийного приема;6. Потенциометр начальной

8. Переключатель частоты, мГц.)

7.3. Средства авиационной электросвязи вч-диапазона

7.3.1. Радиооборудование вч-диапазона серии «Пирс»

Основные технические характеристики наземных средств радиосвязи вч-диапазона

Основные этх радиостанции серии «Пирс»

Основные этх радиопередатчиков серии «Пирс»

Основные этх приемопередатчиков серии «Пирс»

7.3.3. Алларатура и оборудование высокочастотных трактов радиоцентров вч-диапазона

Технические характеристики дук 16х16

Технические характеристики шау-21

7.3.4. Антенны, антенные комплексы, антенные поля вч-диапазона

Характеристики передающих антенн ргд и лпа

Конструктивные характеристики антенн 3бс-2 и об-2

Рекомендации по выбору приёмных антенн

7.3.5. Бортовые радиостанции вч-диапазона

Основные технические данные

7.4. Средства авиационной спутниковой связи Спутниковые системы связи

5.3. Среды распространения сигнала

Для систем авиационной электросвязи средами распространения сигнала в проводных линиях являются (воздушная линия, кабель, волновод, оптоволокно), а в радиолиниях – атмосфера и космическое пространство.

В воздушных линиях средой распространения сигнала являются один или два проводника, подвешенные на столбах. Диапазон рабочих частот сигналов воздушных линий равен 0…10 5 Гц.

В кабельных линиях средой распространения сигнала являются радиокабели. Радиокабели подразделяются на симметричные и коаксиальные.

Симметричный радиокабель представляет собой два параллельно расположенных изолированных проводника, помещенных в диэлектрическую среду. Диапазон рабочих частот сигналов симметричных кабельных линий равен 0…10 6 Гц.

Коаксиальный радиокабель представляет собой два концентрически расположенных изолированных проводника, помещенных в диэлектрическую среду. Диапазон рабочих частот сигналов коаксиальных кабельных линий равен 0…10 8 Гц.

В волноводных линиях средой распространения сигнала является пространство, ограниченное стенками волновода. По волноводу распространяется электромагнитная волна. Диапазон рабочих частот электромагнитных волн в волноводных линиях равен (3…10)10 10 Гц.

В оптоволоконных линиях средой распространения сигнала является опти́ческое волокно́, представляющее собой нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса световых волн внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Диапазон рабочих частот световых волн в оптоволоконных линиях равен 10 14 . ...10 15 Гц.

В радиолиниях передача информации осуществляется посредством радиоволню

Классификация диапазонов радиоволн и радиочастот приведена в Таблице 1.1. Длина радиоволны λ и частота f связаны соотношением λf = 3×10 8 м/с. Тогда: λ [м] = 300/ f [МГц] .

Атмосфера подразделяется на три основные области:тропосфера, стратосфера и ионосфера.

Тропосфера (нижняя атмосфера) располагается от поверхности Земли и до высот 15…18 км и характеризуется наличием тропосферных неоднородностей: паров воды, облаков. Тропосферные неоднородности способны отражать падающие на них радиоволны.

Стратосфера простирается примерно до 60…80 км.

Ионосфера начинается с высот 60…80 км и простирается до высоты 1500 км и имеет слоистый характер неоднородностей, определяемый размещением газов в атмосфере: в нижней части ионосферы располагаются тяжелые газы, а выше – более легкие газы.

Падающее на ионосферу излучение Солнца вызывает ионизацию газа. Поскольку плот­ность газа на больших высотах мала, то вероятность рекомбинации невелика. По этой причине значи­тельная часть газа остается ионизированной, т. е. представляет собой плазму. Ионизированный газ обладает электропроводно­стью. Концентрация свободных электронов определяется интен­сивностью ионизирующего излучения Солнца и зависит от высоты, времени суток и сезона года. На очень больших высотах плотность газа мала, соответственно уменьшается и количество ионов, а в итоге и их влияние на прохождение радиоволн. По этой причине существенное влияние на распространение радиоволн оказы­вает только часть ионосферы до высот около 500 км. Плотность свободных электронов в ионосфере составляет 10 3 …10 6 эл/см 3 .

Полная картина физических процессов при прохождении волн через ионосферу очень сложна. Одна из главных причин этой сложности состоит в том, что фактически ионосфера не представ­ляет собой один слой, а состоит из ряда слоев, обладающих не­одинаковыми свойствами (рис. 5.3).

250-500 км F 2

200-230 км F 1

100-130 км E

молчания

Рис. 5.3. Структура ионосферы

На относительно небольших высотах 60...80 км располага­ется слой, обозначаемый D , в котором концентрация свободных электронов невелика. Выше на высотах 100…130 км располагается слойЕ , далее на высотах 200…230 км располагается слойF 1 и на высо­тах 250…500 км – слойF 2, для которого характерна наибольшая концентрация электронов. Состояние этих слоев сильно зависят от времени года и суток, а также от текущего состояния солнечной активности, которая изменяется с периодом 11 лет. Например, слоиD иF 1 существуют только в дневное время, а электронная концентрация слоевЕ иF 2 в ночное время уменьшается.

Волны разной длины могут отражаться в разных слоях, либо вовсе не отражаться. Отсутствие отражений наблюдается при из­лучении волн под большим углом по отношению к поверхности Земли и при относительно высоких частотах. В этом случае радиоволны «пронзают» ионосферу и уходят в мировое пространство.

Несмотря на изменчивость свойств ионосферы, относительная регулярность этих изме­нений делает возможным использовать ее на постоянно действующих радиолиниях.

В атмосфере наблюдаются и иные менее регулярные неоднородности (например, следы метеоров, искусственные неоднородности), которые также учи­тываются в построении ряда радиолиний.

На основе проведенного анализа свойств тропосферы и ионосферы можно сделать вывод, что р адиоволны могут распространяться :

Вдоль земной поверхности (земные или поверхностные волны);

С отражением от неоднородностей, находящихся в среде РРВ (пространственные волны);

В свободном пространстве (когда электрические параметры Земли не влияют на свойства РРВ) – на дальность прямой видимости.

Для некоторых радиолиний можно определить радиоволны, которые, кроме того, могут распространяться в каких-либо геологических слоях Земли, строительных материалах и в воде.

Особенности РРВ зависят от частоты радиоволны:

С ростом частоты (с уменьшением длины волны) поглощение энергии радиоволны в земле возрастает, а в ионосфере – уменьшается;

С уменьшением частоты (с увеличением длины волны) возрастает дифракционная и рефракционная способность распространения радиоволн, т.е. способность огибать земную поверхность и преломляться в неоднородной среде;

С уменьшением частоты радиоволны и с увеличением угла падения волны на ионосферу возрастает отражающая способность ионосферных слоев.

Особенности распространения радиоволн ОНЧ и НЧ диапазонов.

Радиоволны с длинами от 1 до 100 км, соответствующие диапазонам НЧ и ОНЧ, превышают размеры большей части неровностей почвы и препятствий, поэтому при их распространении заметно проявляется дифракция. Благодаря ди­фракции волны огибают земную поверхность, холмы и даже гор­ные хребты. Однако, обогнув высокое препятствие, волны далее распространяются в свободном пространстве прямо­линейно, поэтому возможно образование "мертвой зоны", в пределах кото­рой прием сигналов затруднен или невозможен (рис. 5.4).

Поверхностные волны индуцируют в почве ЭДС, в результате чего часть энергии радиоволны поглощается. По этой причине волны диапазо­нов НЧ и ОНЧ способны распространяться на расстояния в тысячи кило­метров.

Пространственные волны этих же диапазонов, если они рас­пространяются в направлении ионосферы, отражаются ею, позволяя

Рис. 5.4. Поверхностное распространение радиоволн

ОНЧ и НЧ диапазонов

передавать информацию на столь же большие расстояния. Отражаясь вторично, они достигают еще более отдаленной зоны. Возможны и последующие подобные отражения. Это дает возможность передавать информацию практически в любую точку Земли.

Если в место приема сигнала од­новременно приходят поверхностные и пространственные волны, то происходит сложение волн – интерференция . При взаимном наложении интерферирую­щих волн амплитуда суммарных колебаний зависит от разности их фаз, определяемой разными длинами трасс РРВ, и от значений их напряженностей поля в месте приема.

Явление ослабления уровня радиосигналов вследствие различных процессов при распространении волн называется замиранием .

Распространение радиоволн по разным путям на­зывается многолучевым . Замирания, вызванные интерференцией при многолучевом распространении, называютсяинтерференци­оными замираниями.

В НЧ- и ОНЧ- диапазонах глубокие интерференционные замирания сравнительно редки.

Для радиоволн ОНЧ-диапазона наблюдается не только поверхностное и пространственное, но и волноводное распространение в сферическом волноводе «Земля – нижняя граница ионосферы» .

Волны диапазона ОНЧ обладают способностью проникать на сравнительно большую глубину в поверхностный слой земли и да­же в морскую воду. Это делает возможной связь в диапазоне ОНЧ с подземными и подводными объектами.

Особенности распространения радиоволн СЧ диапазона

В диапазо­не СЧ дальность РРВ с помощью поверхностных волн обычно не превышает 1500 км, так как потери в почве возрастают с повышением частоты.

Про­странственные волны этого диапазона в дневное время сильно поглощаются в слое D ионосферы. Ночью поглощение меньше и пространственное РРВ СЧ диапазона возможно на расстояния до 2…3 тыс. км. Однако в силу одинакового порядка значений напряженности поля поверхностной и пространственной волн, ночью возможны глубокие ин­терференционные замирания радиосигнала СЧ диапазона.

Особенности распространения радиоволн ВЧ диапазона

Поверхностные волны ВЧ диапазона сильно ослабляются из-за значительных потерь энергии радиоволн в почве, поэтому с их помощью дальность передачи информации невелика (не более 100 км).

Пространственное распространение радиоволн ВЧ диапазона с по­вышением частоты улучшается благодаря уменьшению потерь в ионосфере.

Радиоволны разной длины могут отражаться от разных слоев ионосферы, либо вовсе не отражаться. Для количественной оценки этого явления введено понятие критической частоты f кр радиосигнала , как максимальной частоты радиосигнала, который при вертикальном излучении (α = 90°) отражается от ионосферы и возвращается на Землю (рис. 5.5). Для каждого ионосферного слоя существует своя критическая частота, зависящая от степени ионизации ионосферы. Радиоволны с частотамиf > f кр пронзают ионосферу и уходят в космическое пространство.

Линии связи на основе радиоканала

ЛЕКЦИЯ 2

Существующие типы линий связи (ЛС) в зависимости от используемой среды распространения сигналов принято делить на проводные и линии в атмосфере (радиолинии). Начинают использоваться и беспроводные оптические линии связи.

К линиям связи предъявляются следующие основные требования:

· осуществление связи на требуемые расстояния;

· широкополосность и пригодность для передачи различных видов сообщений;

· защищенность цепей от взаимных влияний и внешних помех, а также от физических воздействий (атмосферных явлений, коррозии и пр.);

· стабильность параметров линии, устойчивость и надежность связи;

· экономичность системы связи в целом.

Рассмотрим особенности распространения электромагнитных колебаний различных диапазонов радиоволн.

Электромагнитные колебания, применяемые для целей связи без проводов подразделяются на радиоволны и оптические волны, характеризуются частотой колебаний и длиной волны и делятся на 9 диапазонов радиоволн и 3 диапазона оптических волн.

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На величину напряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов. Основные из них:

• отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;
• преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере);
• рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы (тропосфере);
• дифракция на сферической выпуклости Земли.

Кроме того напряженность поля в точке приема зависит от длины волны, освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов.

Классификация и способы распространения радиоволн приведены в табл. 2.1 и табл. 2. 2. Деление радиоволн на диапазоны установлено Международным регламентом радиосвязи МСЭ-Р.

Таблица 2.1 – Классификация диапазонов радиоволн

Вид радиоволн	Тип радиоволн	Диапазон радиоволн (длина волны)	Но-мер диа-пазо-на	Диапазон частот	Вид радиочастот
Мириаметровые	Сверхдлинные	10..100 км		3..30 кГц	Очень низкие (ОНЧ)
Километровые	Длинные	1..10 км		30..300 кГц	Низкие (НЧ)
Гектометровые	Средние	100..1000 м		300..3000 кГц	Средние (СЧ)
Декаметровые	Короткие	10..100 м		3..30 МГц	Высокие (ВЧ)
Метровые		1..10 м		30..300 МГц	Очень высокие (ОВЧ)
Дециметровые	Ультракорот-кие	10..100 см		300.3000 МГц	Ультравысокие (УВЧ)
Сантиметровые		1..10 см		3..30 ГГц	Сверхвысокие (СВЧ)
Миллиметровые		1..10 мм		30..300 ГГц	Крайне- высокие (КВЧ)
Децимиллиметро-вые		0.1..1 мм		300..3000 ГГц	Гипервысокие (ГВЧ)

Таблица 2 .2 - Способы распространения радиоволн

Частота колебаний связана с длиной волны соотношением:

f = c /λ , где f - частота, Гц; c = 3·10 8 м/с - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве; λ - длина волны, м.

Из таблицы 2.1 видно, что длина волны в 5 диапазоне (длинные волны) исчисляется километрами, в 10-11 диапазонах (диапазоны СВЧ) - сантиметрами и миллиметрами. В оптических диапазонах длины волн исчисляются микрометрами.

Длина волны определяет специфику распространения электромагнитной энергии в условиях Земли. Вспомним, что дифракция радиоволн, явления, возникающие при встрече радиоволн с препятствиями. Радиоволна, встречая при распространении в однородной среде препятствие, изменяется по амплитуде и фазе и проникает в область тени, отклоняясь от прямолинейного пути. В реальных случаях распространения радиоволн препятствия могут иметь произвольную форму и быть как непрозрачными, так и полупрозрачными для радиоволн.

Волны каждого из диапазонов имеют свои особенности распространения, но на границах диапазонов не существует резких изменений этих особенностей.

В свободном пространстве радиоволны распространяются прямолинейно и не испытывают поглощения. Потери при распространении электромагнитных колебаний в свободном пространстве объясняются уменьшением плотности мощности излучения при увеличении расстояния и могут быть найдены по следующей формуле

L 0 = 20 lg (4.189 ·10 4 R 0 · f ) , дБ,

где R 0 - расстояние, км, f - частота, ГГц.

В радиолиниях связи (радиоканалах) средой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли. На рис. 2.1 приведено упрощенное строение атмосферы Земли. Реально строение атмосферы более сложно и приведенное деление на тропосферу, стратосферу и ионосферу достаточно условно. Высота слоев приведена приблизительно и различна для разных географических точек Земли. В тропосфере сосредоточено около 80% массы атмосферы и около 20% - в стратосфере. Плотность атмосферы в ионосфере крайне мала, граница между ионосферой и космическим пространством является условным понятием, так как следы атмосферы встречаются даже на высотах более 400 км. Считается, что плотные слои атмосферы заканчиваются на высоте около 120 км.

Влияние среды на распространение электромагнитных волн проявляется в изменении (большей частью уменьшении) амплитуды поля волны, изменении скорости и направления распространения волны, в повороте плоскости поляризации и в искажении передаваемых сигналов.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) от поверхности Земли, будем называть земными, поверхностными радиоволнами (рис. 2.2).

Рисунок 2.1 - Строение атмосферы Земли

Условия распространения радиоволн по естественным трассам вблизи Земли определяются многими факторами: влиянием земной поверхности и различных препятствий, наличием атмосферы, поглощением электромагнитной энергии в гидрометеорах (дожде, снеге, тумане, смоге и пр.). Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн, являясь полупроводящей средой, поглощающей энергию.

Рисунок 2.2 - Земные, поверхностные радиоволны

В окружающей земной шар атмосфере различают две области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу и ионосферу.

Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности, кроме того, ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий.

Распространение тропосферных волн связано с рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной среде, а также с рассеянием и отражением радиоволн от различных неоднородностей.

В ионосфере плотность газа весьма мала и газ ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов. Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы. Путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны распространяются на очень большие расстояния (например, короткие волны могут несколько раз огибать земной шар). Ионосфера является неоднородной средой, и радиоволны рассеиваются в ней, что также обусловливает возможность распространения радиоволн на большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, будем называть ионосферными, пространственными волнами.

За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшаются и на расстоянии, равном 3-4,5 радиусам земного шара, атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован, плотность протонов равна плотности электронов и составляет всего 2-20 эл/см 3 . Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве. Таким образом, оказывается возможным рассматривать раздельно влияние на распространение радиоволн земной поверхности, тропосферы, ионосферы и космического пространства.

Кривизна земной поверхности, неровности рельефа местности и различные искусственные преграды также сильно влияют на распространение электромагнитных волн. В случае соизмеримости длины волны и размеров препятствий волны могут огибать их. К примеру, радиоволны 4 - 5 диапазонов (длинные и сверхдлинные волны) обладают способностью огибать поверхность Земли и могут распространяться на расстояния в несколько тысяч километров поверхностными лучами (рис. 2.3).

Качество связи мало зависит от сезонов или времени суток. Однако каналы связи в этих диапазонах обладают очень узкой полосой пропускания и могут обеспечивать передачу ограниченного объема радиовещательных, телефонных, телеграфных и фототелеграфных сообщений.

Длинные и особенно сверхдлинные волны мало поглощаются при прохождении в толще суши или моря. Так, волны длиной 20-30 км могут проникать в глубину моря на несколько десятков метров и, следовательно, могут использоваться для связи с погруженными подводными лодками, а также для подземной радиосвязи.

Рисунок 2.3 – Сверхдлинные и длинные волны, огибающие поверхность Земли

В 6 диапазоне (средние волны) поверхностный луч претерпевает более сильные поглощения и может распространяться на расстояние 500-1500 километров. Однако, при увеличении плотности ионосферы (в ночные часы) в диапазоне средних волн возможно распространение сигналов пространственным лучом, который может обеспечить связь на расстояние в несколько тысяч километров (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 – Распространение гектометровых, средних волн (6 диапазон)

Радиоволны 7 диапазона (короткие волны) поверхностными лучами распространяются на небольшие расстояния из-за поглощения энергии поверхностью Земли (рис. 2.5). Однако пространственные волны могут многократно отражаться от ионосферы и земной поверхности проходить очень значительные расстояния, вплоть до глобальных, обеспечивая передачу сигналов радиовещания, радиотелефонии и радиотелеграфии.

Рисунок 2.5 – Распространение коротких волн

Распространение волн таким способом довольно неустойчиво и подвержено сильным замираниям как медленным (в течение года, сезона, времени суток и пр.), так и быстрым, с периодом в доли и единицы секунд. Медленные замирания объясняются изменениями состояния ионосферы, а быстрые - взаимодействием множества лучей, которые могут попадать в точки приема.

В общем случае короткие волны лучше распространяются ночью и, иногда, способны, последовательно отражаясь от ионосферы и поверхности земли, огибать земной шар.

Радиоволны 8-12 диапазонов (рис. 2.6) позволяют передавать значительно более объемную информацию, включая телевизионные сигналы, сигналы многоканальной телефонии, высокоскоростные цифровые потоки.

Однако пространственные волны этих диапазонов проходят через ионосферу в космическое пространство и для целей наземной связи почти не пригодны, а поверхностные волны распространяются почти прямолинейно, практически не огибая земную поверхность.

Рисунок 2.6 – Распространение сверхкоротких волн

Поэтому они устойчиво проходят только на расстояние прямой видимости между антеннами передающего и приемного оборудования. Это расстояние составляет десятки километров (при реальной высоте подвеса антенн в несколько десятков метров) и для передачи сигналов на большие расстояния приходиться строить цепочки ретрансляторов, образующих радиорелейные линии (РРЛ).

Важным способом передачи сигналов этих диапазонов на большие расстояния является использование для ретрансляции связных спутников. Спутниковые системы позволяют передавать информацию на десятки тысяч километров и перекрывать большие площади на поверхности Земли, вплоть до организации глобальных систем связи.

Возможна также передача сигналов 8 - 9 диапазонов на большие расстояния (значительно превышающие прямую видимость) за счет рассеяния электромагнитной энергии в неоднородностях тропосферы. Этот принцип используется в тропосферных радиолиниях связи (ТРЛ).

С увеличением частоты (больше 10 ГГц) радиоволны ослабляются в газах атмосферы и, особенно сильно - в дожде, снеге, граде. Поэтому в этих диапазонах устойчивое распространение электромагнитных волн возможно на расстоянии меньшем, чем расстояние прямой видимости.

В оптических диапазонах волн можно передавать гигантские объемы информации. В основном для целей связи применяется 3 диапазон оптических волн (инфракрасные волны). При распространении в открытом пространстве они подвержены большим ослаблениям в атмосфере и, практически, обеспечивают связь на расстояние до 4-5 км, однако при использовании таких систем связи нет необходимости получать какие-либо разрешения от инспекций по электросвязи.

Полное ослабление света в атмосфере обусловлено несколькими факторами. Различают ослабление света в атмосфере, свободной от облаков и тумана, и ослабление света в тумане. Первый вид ослабления складывается из рассеяния света на молекулах газа и водяного пара и селективного поглощения. Селективное поглощение в газах и водяных парах атмосферы объясняется взаимодействием их электронной, колебательной и вращательной энергий с электромагнитными колебаниями определенной частоты. Основное поглощающее действие оказывает водяной пар, поскольку его содержание намного превышает содержание углекислого газа и озона. Прозрачность атмосферы для инфракрасных лучей сильно зависит от влажности атмосферы. Измерения показали, что сравнительно хорошей прозрачностью для инфракрасных волн атмосфера обладает на следующих диапазонах: 0,95-1,05; 1,2-1,3; 1,5-1,8; 2,1-2,4; 3,3-4,0; 8,0-11,0 мкм.

Для передачи на большие расстояния применяются закрытые оптические системы , в которых свет распространяется по стеклянным волокнам. К достоинствам волоконно-оптических систем связи (ВОЛС) можно отнести возможность передачи чрезвычайно больших объемов информации, не достижимых для других структур. Достигнуты скорости передачи цифровых сигналов в волоконно-оптических системах связи более 1 терабита в секунду!

Излучение и прием электромагнитных волн осуществляется при помощи антенн. Антенны характеризуются многими параметрами, главными из которых являются рабочие частоты, их ширина и направленные свойства излучения и приема. Более подробно об антенных системах мы поговорим на практических занятиях.

Направленные свойства или способность антенны принимать или передавать сигналы в заданном направлении зависят от соотношения между длиной волны и геометрическими размерами элементов антенн. Чем больше размеры антенны по сравнению с длиной волны электромагнитных колебаний, тем лучше направленные свойства антенны.

Одна из простых антенн - симметричный вибратор, который эффективно работает при условии, что его длина равна половине длины волны λ / 2. Для улучшения направленных свойств антенн применяются дополнительные структуры, образующие антенну под названием «волновой канал», получившую широкое распространение для приема телевизионных сигналов.

В диапазонах 9-12, в основном, применяются различные модификации параболических антенн.

Антенны оптических диапазонов представляют собой линзовые и зеркальные системы.

Радиолинии используют в тех случаях, когда возникают трудности прокладки проводных линий связи . Принципиальное отличие радиосистем передачи информации заключается в том, что условия распространения радиоволн в радиолинии нестационарны, т.е. подвержены непрерывным случайным изменениям, зависящим от времени и частоты. Однако передача с помощью радиоволн в некоторых случаях является единственным методом связи (например, связь с подвижными объектами). При этом применяются различные системы радиосвязи: радиорелейные прямой видимости и тропосферные, спутниковые, на декаметровых волнах, ионосферные и пр.

Типичный вид построения радиолинии (радиоканала) показан на рис. 2.7.

Рисунок 2.7 - Типичный вид радиолинии

Для обеспечения односторонней радиосвязи (рис.2. 8) в пункте, из которого ведется передача сигналов, размещают радиопередающее устройство, содержащее радиопередатчик РПер и передающую антенну А ПЕР, а в пункте, в котором ведется прием сигналов - радиоприемное устройство, содержащее приемную антенну А ПР и радиоприемник РПр. Антенны подключаются к приемопередающему оборудованию при помощи фидерных трактов Ф. Для двухстороннего обмена сигналами нужно иметь два комплекта такого оборудования. Двухсторонняя радиосвязь может быть симплексной или дуплексной. При симплексной радиосвязи передача и прием ведутся поочередно. Радиопередатчики в конечных пунктах в этом случае могут работать на одинаковой частоте, на эту же частоту настроены и радиоприемники. Радиопередатчик включается только на время передачи.

Рисунок 2.8 - Структура системы радиосвязи

При дуплексной радиосвязи передача осуществляется одновременно с приемом. Для такой связи должны быть выделены две разные частоты для передачи в разных направлениях. Радиопередатчики и радиоприемники абонентов включены в течение всего сеанса связи.