Особенности распространения кв и укв волн: 7. Особенности распространения радиоволн укв диапазона

alexxlabПрост

Содержание

7. Особенности распространения радиоволн укв диапазона

Ультракороткие волны с частотой более 30 МГц не отражаются ионосферой, следовательно, для них распространение ионосферными волнами невозможно. Так как эти волны сильно поглощаются поверх­ностью земли, то дальность распространения волн УКВ диапазона земными волнами крайне ограничена.

В диапазоне УКВ распространение возможно лишь прямыми волнами. Под прямой волной понимают волны, распространяющиеся в пределах прямой видимости на высоте нескольких длин волн над землей.

Из-за кривизны земной поверхности максимальные расстояния меж­ду приемником и передатчиком, при которых возможен прием прямой волны, определяются высотой подъема приемной и передающей антенн. На рисунке 7 показана передача прямым лучом от антенны в точке А с высотой под­веса h1 к приемной антенне в точке В с высотой подвеса h2.

Рисунок. 7. Определение прямой видимости

Максимальная дальность, при которой возможна передача прямым лучом в пределах прямой видимости, рассчитывается по формуле:

,

где d — расстояние прямой видимости в км,

h — высота подвеса антенн в метрах.

Как видно из формулы, для увеличения дальности связи на УКВ необходимо поднимать обе антенны по возможности выше

Земная волна в УКВ диапазоне возникает при непосредственном расположении антенн у поверхности земли, когда геометрический луч, соединяющий антенны, проходит у земли. Если антенны подняты на некоторую высоту, приходится учитывать прямую и отраженную от земли волны. Также при наличии за точкой приема отражающих предметов (гор, зданий и т.п.) к приемной антенне придет сразу две волны – прямая и отраженная. В этих случаях сигнал в приемной антенне является результатом интерференции (сложение волн). То есть в приемной антенне может быть усиление или ослабление принимаемого сигнала даже при прямой видимости.

Устранить или ослабить влияние интерференции можно, переместив радиостанцию в сторону или удалив ее от вероятной поверхности отражения (например, от опушки леса в поле или в глубь леса, дальше по улице города), пока в приемнике не восстановиться устойчивый сигнал.

Иногда хорошие результаты дает изменение расположение направленной антенны на местности.

Если приемная антенна удалена за пределы прямой видимости, то, казалось бы, сигнал прямой волны в точке приема будет отсутство­вать. Практически, особенно на более длинных волнах диапазона прием возможен на расстоянии, несколько превышающем прямую видимость. Это происходит благодаря огибанию радиоволнами препятствий (дифракция) и прелом­лению радиоволны (рефракция).

Непременное условие возникновения дифракции – соизмеримость величин препятствий с длиной волны. Степень дифракции зависит от размеров и формы препятствий, от электрических свойств и гладкости их поверхности. Чем меньше препятствие по сравнению с длинной волны, тем лучше дифракция.

Рефракция происходит в результате неоднородности среды распространения радиоволны. В зависимости от соотношения диэлектрической проницаемости (ε) сред скорость распространения радиоволн изменяется, в результате чего радиоволна распространяется по криволинейной траектории. Кривизна траектории зависит от степени неоднородности среды: чем резче от точки к точке изменяются электрические свойства среды, тем больше кривизна траектории и тем дальше связь. Явление рефракции увеличивает дальность связи прямой волной на 10-15.

Дальность и надежность связи на УКВ зависит также от рельефа местности и от препятствий, находящихся на пути распространения радиоволн. Влияние рельефа и местных предметов тем сильнее, чем больше проводимость материала, из которого состоит местный предмет, и чем значительнее размеры препятствия по сравнению с длиной волны. Если удалить радиостанции от большого поразмера местного предмета на расстояния, превышающие 3-5 его высот, то вследствие дифракции радиоволны будут огибать это препятствие, и радиосвязь, несмотря на отсутствие прямой видимости, будет устойчивой.

Особенности распространения радиоволн . Путеводитель в мир электроники. Книга 2

Глядя на мир, нельзя не удивляться

Козьма Прутков

Историю открытия электромагнитных волн вы теперь знаете хорошо. Но что собой представляет электромагнитная волна, радиоволна, как она распространяется в пространстве, что влияет на распространение, какие волны и почему используются в радиотехнике — об этом предстоит узнать сейчас.

Как устроена электромагнитная волна? Очень просто — взгляните на рис. 10.7.

Рис. 10.7. Распространение электромагнитной волны

Мы уже знаем, что переменное электрическое поле рождает переменное магнитное поле и наоборот. Вспомните также детскую игру «хождение по болоту», когда участникам дают два маленьких коврика, на которые они должны наступать. Поэтому, чтобы совершать движение, нужно постоянно эти коврики передвигать — то один, то другой. Так и электромагнитная волна. Она напоминает отрезок цепи, в котором имеется два колечка, причем заднее колечко всегда норовит встать вперед. Колечко «Н» — магнитного поля, «Е» — электрического. Возникнув в пространстве, например «уйдя» с антенны, кольцо «Е» выдвинет вперед себя кольцо «Н», затем кольцо «Е» исчезнет.

А кольцо «Н» выдвинет вперед себя кольцо «Е». Вот так электромагнитная волна распространяется в пространстве. Поскольку электромагнитную волну рождают только переменные поля, графическое представление волны несколько изменяют, переходя от «колец» к синусоидам (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Физическая сущность электромагнитной волны

Вертикальное поле в данном случае — поле электрическое, горизонтальное — магнитное. Впрочем, положения полей могут быть и другими — например, электрическое поле может быть горизонтальным или наклонным. Это свойство называется поляризацией электромагнитной волны.

Конечно, амплитуда электрической и магнитной составляющих волны, распространяющейся в какой-нибудь среде, например в воздухе или в кирпичной кладке домов, постепенно уменьшается. Говорят, что в веществе электромагнитная волна постепенно затухает. Но в вакууме волна может распространяться без затухания неограниченно долго. Интересный пример в данном случае являет нам космическое реликтовое излучение, открытое совсем недавно. Как известно, появившаяся в 20-х гг. XX в. теория возникновения Вселенной в результате большого взрыва предполагала обнаружение в пространстве остатков этого процесса — электромагнитных волн. Сегодня реликтовое излучение обнаружено. Реликтовые электромагнитные волны прошли путь, равный миллиардам световых лет (!). Это — слепки молодой Вселенной, ее следы.

Но вернемся к делам земным. Чуть выше мы упоминали о том, что разработчики радиостанций постоянно стремились повысить излучаемую мощность. Эта мощность переносится электромагнитной волной. Как видно из рис. 10.8, компоненты электромагнитной волны — магнитная и электрическая — имеют колебательный характер, значит, в качестве характеристики волны можно ввести ее частоту. Однако, поскольку волна распространяется в пространстве, точки А и В, в которых колебания имеют одинаковую фазу, отстоят друг от друга на определенном расстоянии, очевидно, связанном с частотой.

Понятно также, что скорость волны не равна бесконечности, а ограничена. Чем быстрее распространяется волна, чем больше будет ее скорость, тем дальше будут отстоять друг от друга точки А и В, тем меньше будет ее частота и больше длина. Очевидно, что частота, длина и скорость волны связаны между собой! Помните, еще в опытах Герца было выяснено, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света. Чуть позже установили — в среде, отличной от вакуума, волна распространяется немного медленнее. Если обозначить скорость буквой с, частоту — f, а длину — λ, то получим простое соотношение для связи перечисленных характеристик:

λ = c/f

Точное значение скорости распространения электромагнитной волны в вакууме:

с = 2,997925·108 м/с.

Электромагнитные волны имеют очень широкий диапазон длин. Для того чтобы классифицировать волны по отличительным признакам и характерным особенностям, введена так называемая шкала электромагнитных излучений.

Изучая эту таблицу, можно сделать вывод, что видимый человеческим глазом свет тоже представляет собой электромагнитную волну, правда, имеющую частоту намного выше частоты радиоволн. Радиотехника никогда не «заползает» дальше диапазона радиоволн и очень редко пользуется низкочастотными волнами. Поэтому рассмотрим деление радиочастот согласно международному регламенту радиосвязи, которое приведено в табл. 10.2.

Наиболее широко в средствах связи и вещания используются диапазоны начиная от НЧ и заканчивая УВЧ. В диапазонах НЧ, СЧ, ВЧ и ОВЧ работают трансляционные передатчики, средства радиолюбительской и профессиональной связи, средства военной связи. Диапазон УВЧ используется для работы домашних мобильных телефонов, сотовой связи. Диапазон СВЧ отдан средствам космической связи, спутниковым системам телевещания, трансляции, передаче цифровых данных. Диапазон КВЧ — это диапазон работы радарных систем.

Диапазоны СНЧ, ИНЧ и ОНЧ использовать очень сложно, так как для эффективного излучения электромагнитных волн и их дальнего приема необходимы антенны, приближающиеся в своих размерах к длинам этих волн, то есть в десятки, сотни и даже тысячи километров. Мы знаем об этом из ответа Герца инженеру Губеру.

Однако люди научились использовать и эти диапазоны волн, причем совершенно неожиданно. Как вы думаете, насколько хорошо распространяются электромагнитные волны в морской воде, являющейся проводником электрического тока? Распространяются, но очень плохо. Чем выше частота волны, тем сильнее она поглощается морской водой, тем быстрее она затухает. По этой причине конструкторы подводных лодок были вынуждены отказаться от радиосвязи на глубине и придумывать разные хитрые способы с выбрасыванием на поверхность радиобуев. Но когда обнаружили, что электромагнитные волны очень низких частот слабо поглощаются морской водой, то разработали связь, впрочем, одностороннюю с лодкой в подводном положении. Для того чтобы принять сигнал, лодка разматывает

буксируемую антенну длиной в десятки километров и принимает информацию, а затем антенну сматывает.

Радиопередающие средства этой системы связи могут впечатлить любого. По некоторым сведениям, американская антенна связи с подводными лодками занимает площадь целого штата. Она представляет собой сетку с размером ячеек около километра, закопанную в землю. Есть ли такая система связи в России, авторам неизвестно.

Радиовещательные диапазоны также имеют четкое деление, приведенное в табл. 10.3.

Поговорим теперь о распространении радиоволн в пространстве. Красноречивый пример, относящийся к 1930 г., позволит задать множество вопросов.

Эрнст Теодорович Кренкель (1903–1971), российский полярник, радист советских полярных станций и арктических экспедиций, а впоследствии — член редколлегии популярной серии книг «Массовая радиобиблиотека», находясь на Земле Франца-Иосифа, впервые установил на коротких волнах прямую двустороннюю связь с американской экспедицией Р. Бэрда, зимовавшей на шельфовом леднике Росса (Антарктида). Связь на 20 000 км долго оставалась мировым рекордом дальности. Как удалось Кренкелю связаться с противоположной точкой земного шара, излучая микроскопическую мощность в единицы ватт?

Еще один пример из жизни Кренкеля, о котором рассказывает Б. А. Кремер, относится к гибели теплохода «Челюскин» в арктических льдах и последующей зимовке на льду: «Аварийную станцию Кренкель монтировал в брезентовой палатке. В палатке было так же холодно, как и на улице, и работать было мучительно тяжело, Холодные плоскогубцы, нож, провода обжигали голые руки — не будешь же вести монтаж в рукавицах, и время от времени он вынужден был отрываться от дела, чтобы хоть немного отогреть закоченевшие пальцы в рукавах своей куртки. Первые попытки вступить в связь с какой-либо береговой радиостанцией не принесли успеха. Кренкель отчетливо слышал переговоры между радистами Уэлена и мыса Северного, но никто из них, несмотря на самое тщательное наблюдение за эфиром, маломощный рейдовый передатчик Кренкеля не слышал. Лишь наутро состоялась первая связь с Уэленом».

А вот пример необычного характера распространения электромагнитных волн, который приводит известный радиолюбитель-популяризатор Владимир Тимофеевич Поляков: «Интересный случай произошел с моим хорошим другом, радиолюбителем и полярником, на дрейфующей станции «Северный полюс». Как-то он захватил на зимовку портативный батарейный приемник «Океан» и, включив УКВ-диапазон, стал слушать передачу радиостанции «Маяк». Лишь спустя некоторое время он сообразил, что на Северном полюсе это невозможно! Тем не менее случай был, и, чем его объяснить, я не знаю».

Чтобы ответить на этот и другие вопросы, давайте познакомимся с основами науки с названием «Распространение радиоволн», рассмотрим строение атмосферы Земли и ее влияние на радиоволны разных диапазонов.

Впервые разницу в дневном и ночном приемах радиосигналов обнаружил Г. Маркони в 1902 г. В этом же году английский физик Оливер Хевисайд (1850–1925) сделал предположение, позже получившее полное экспериментальное подтверждение. Предположение заключалось в следующем: над поверхностью Земли, на высоте 60…2000 км атмосфера находится в особом состоянии. Газы на этой высоте под действием ионизирующего излучения Солнца переходят в ионизированное состояние. Поэтому описываемый слой, названный ионосферой, оказывает большое влияние на распространение радиоволн: она может поглощать радиоволны, может их отражать, а может пропускать беспрепятственно. Иногда ионосферу называют слоем Хевисайда.

Долгое время проводить исследования ионосферы представлялось затруднительным, и только в начале 1960-х гг., благодаря искусственным спутникам Земли, удалось досконально изучить механизмы ионизации. Оказывается, основным источником ионизации выступают ультрафиолетовые лучи Солнца и солнечная радиация. На ионосферу оказывает также влияние излучение удаленных звезд — это 0,1 % — не так много, но если учесть их удаленность…

Ионизирует атмосферу Земли и космическая пыль. К нерегулярным источникам ионизации относятся мощные корпускулярные потоки, которые возникают в периоды солнечной активности, и метеорные потоки.

Впервые серьезные исследования ионосферы провел в 20-х гг. XX в. англичанин Эдуард Виктор Эплтон. Занимаясь вопросами снижения электромагнитных помех во время приема, Эплтон заинтересовался различием ночных и дневных сеансов связи. Причину явления Эплтон назвал замираниями эфира.

Он доказал, что ночью радиоприемник принимает только волны, распространяющиеся вдоль земной поверхности, а ночью добавляются волны, отраженные от ионосферы. Также он впервые показал, что ионосфера не однородна, а состоит из слоев. Один из таких слоев, обозначаемых буквой F, носит название слоя Эплтона.

Каковы наши сегодняшние знания об ионосфере? Взгляните на рис. 10.9.

Рис. 10.9. Строение ионосферы

Сегодня мы абсолютно достоверно знаем, что ионосфера состоит из четырех слоев.

Слой D — самый низкий, он расположен на высоте 60…80 км и существует только в дневные часы. Ночью под действием механизма ионной рекомбинации слой D исчезает. Слой Е, расположенный на высоте 100… 150 км, имеет низкую концентрацию ионов и ночью также практически полностью исчезает. Самый верхний слой, обозначаемый, как F, в дневные часы распадается на два слоя — F1 и F2. Слой F, характеризуемый наибольшей ионной концентрацией, располагается на высоте 300…450 км в летнее время и 250…350 км в зимнее время. Основное влияние на распространение радиоволн оказывает слой F2.

Существует также слой Es, условно называемый спорадическим. Вообще это образование сложно назвать слоем, так как возникает спорадический слой нерегулярно. Он представляет собой скопление сильно ионизированных облаков, разделенных промежутками слабо ионизированного газа. Чаще всего этот слой возникает летом.

Радиоволны имеют интересную особенность — в неоднородных средах они распространяются не прямолинейно, а несколько изгибаются. Чем больше неоднородность среды, тем и изгибание их больше. Постоянно. преломляясь в ионосфере, электромагнитная волна может занять положение, параллельное земной поверхности, и даже вернуться на Землю. Если же отражающей способности ионосферы недостаточно, волна уходит в космическое пространство.

Чем больше длина волны, тем меньшая степень ионизации требуется для обеспечения нормального отражения радиоволны. И наоборот чем выше частота, тем труднее ионосфере преломлять волну. Свойство электромагнитной волны изгибаться под действием неоднородностей называется рефракцией. Есть еще одно свойство электромагнитной волны, которое называется почти так же — дифракцией, — но имеет совершенно другой физический смысл. Дифракция — это способность волн огибать препятствия (рис. 10.10).

Рис. 10.10. Дифракция радиоволн

Исследования показывают, что дифракционные свойства присущи радиоволнам любой длины, хотя по мере укорочения волны способность к дифракции резко падает.

Итак, в реальных условиях любая электромагнитная волна может попадать из точки излучения в точку приема двумя путями: огибая земную поверхность вследствие неоднородности атмосферы (поверхностная волна) и вследствие отражения от ионосферы (объемная волна), что показано на рис. 10.11.

Рис. 10.11. Распространение поверхностной и объемной волн

Земная поверхность проводит электрический ток, правда, недостаточно хорошо, и часть энергии волны при этом поглощается. Поглощение энергии резко возрастает с частотой. Поэтому длинные и средние волны распространяются поверхностным способом значительно дальше, чем волны более высоких частот. Чем короче волна, тем больше затухает пространственный луч и меньше — объемный.

Электромагнитные волны длинноволнового диапазона (ДВ) могут огибать земную поверхность при распространении на расстояния не более 3000 км. Отражение длинных волн от ионосферы наблюдается главным образом в ночные часы, когда ионная концентрация слабее и поглощение не столь велико. Поэтому дальность распространения длинных волн днем меньше, чем ночью.

К длинноволновому диапазону наиболее близко примыкает диапазон средних волн (СВ), испытывающий отражение от более высоких слоев ионосферы, — от верхних областей слоя Е и от слоя F1. Днем, при высокой ионной концентрации, объемный луч очень сильно поглощается ионосферой и возвращается на Землю настолько ослабленным, что его присутствие практически не сказывается на дальности приема. Поверхностная волна также сильно затухает из-за потерь в земле. Поэтому днем диапазон средних волн мало насыщен станциями. Ночью, когда концентрация слоя Е резко снижается, дальность распространения средних волн значительно увеличивается. Практически это означает, что днем средневолновый приемник может «поймать» только местные станции, а вечером и ночью можно слушать также европейские «голоса» (рис. 10.12).

Рис. 10.12. Разные волны по-разному реагируют на наличие ионосферы

Самым интересным является распространение волн коротковолнового (КВ) диапазона. Поверхностная волна диапазона КВ затухает очень быстро, зато очень медленно затухает объемная волна. Из-за этого волна, многократно отражаясь то от поверхности Земли (рис. 10.13), то от ионосферного слоя F, может вообще «пробежать» вокруг света и вернуться в точку излучения! Вот почему Кренкель смог установить коротковолновую связь с Южным полюсом, находясь на Северном, — в противоположной точке.

Рис. 10.13. Многократное отражение волн КВ диапазона

Коротковолновый диапазон, однако, таит в себе массу «подводных камней», массу неудобств. Во-первых, изменчивость условий распространения, диктуемая земной атмосферой, во-вторых, существование зоны молчания (зоны тени), где поверхностной волны уже нет, а объемная «перепрыгивает» это место (рис. 10.14).

Рис. 10.14. Зона тени при излучении волн КВ диапазона

Чем короче волна, тем шире зона молчания, так как объемный луч слабее преломляется и возвращается на Землю дальше от передатчика.

Еще один недостаток коротких волн — наличие ощутимых замираний, когда неожиданно принимаемая станция начинает звучать тише, а то и вообще пропадает. В диапазоне средних волн, впрочем, замирания не так заметны. Природа замираний — сложение в противофазе нескольких объемных лучей, попадающих в точку приема разными путями. В результате явления, называемого интерференцией, две волны могут скомпенсировать друг друга, получив нулевой результат. До определенной степени борьба с замираниями возможна введением в приемник системы автоматической регулировки усиления (АРУ), идея которой была реализована еще в начале 30-х гг. XX в.

Волны УКВ-диапазона практически не огибают земной поверхности и не испытывают отражения от ионосферы. Другими словами, УКВ волны обладают слабыми дифракционными и рефракционными свойствами в отношении земной поверхности. Поэтому они распространяются только поверхностной волной, в пределах прямой видимости, при сильном поглощении энергии поверхностью Земли. Эта особенность распространения УКВ волн заставляет строить высокие антенны. Беспредельно наращивать мощность передатчика здесь уже не имеет смысла, так как таким методом не обеспечить увеличения «дальнобойности» вещания. Чтобы передавать сигнал за зону прямой видимости, в технике УКВ связи используются ретрансляторы — так называемые радиорелейные линии.

Свойство УКВ волн проникать через ионосферу используется в технике космической связи. УКВ волны диапазона 4… 10 м вообще-то могут испытывать отражение от спорадического слоя Es и от слоя F2 в годы максимальной солнечной активности, распространяясь на большие расстояния. Однако это явление носит случайный характер и не учитывается при проектировании радиовещательного оборудования. На распространение ультракоротких волн сильное влияние оказывает тропосфера — нижний слой атмосферы на высоте 10… 14 км. Тропосфера обладает большой неоднородностью, вследствие чего дальность распространения УКВ волн может как уменьшиться, так и увеличиться. Тропосферное распространение волн характеризуется высокими показателями рефракции. Еще одно интересное явление, могущее возникнуть в тропосфере, — это сверхрефракция (рис. 10.15).

Рис. 10.15. Явление сверхрефракции УКВ радиоволн

Благодаря ей в тропосфере может возникнуть волновод, напоминающий длинную изогнутую трубу, по которой УКВ волна распространяется на расстояния более 1000 км — в 10 раз больше по сравнению с обычной дальностью распространения. УКВ волны могут также распространяться за счет сверхрефракции при наличии сильной неоднородности в ионосфере, возникающей при прохождении метеорных потоков. Но обольщаться не стоит: сверхрефракция — тоже случайное и нестабильное состояние атмосферы.

Читатели спросят: «Если УКВ радиоволны имеют столько недостатков, не проще было бы отказаться от их использования?» Оказывается, только на УКВ возможна организация многоканальной сотовой связи с большим количеством одновременно работающих каналов. Только на УКВ возможно высококачественное музыкальное стереовещание. Наконец, только в УКВ-диапазоне могут работать современные телевизионные системы.

Волны СВЧ и КВЧ-диапазона отражаются даже от небольших предметов и чаще всего возвращаются в точку приема. На основе данного открытия и строятся все радиолокационные системы (рис. 10.16).

Рис. 10.16. Радиолокационная система

К недостаткам волн этого диапазона следует отнести их поглощение гидрометеорами — дождем, снегом, градом, туманом. Волны диапазона КВЧ вдобавок ко всему поглощаются молекулами кислорода и водяными парами. Чтобы радарные системы работали эффективно, приходится излучать большие мощности, разрабатывать достаточно сложные схемные и конструктивные решения такой аппаратуры. Но сегодня от радаров отказываться рано, поскольку они — основное средство морской и летной навигации, противовоздушной обороны.

Распространение радиоволн — очень серьезная и сложная наука, которой занимаются ученые всего мира. В России этой проблемой занимается институт земного магнетизма и распространения радиоволн (ИЗМИРАН), расположенный в Московской области. Институт регулярно публикует прогнозы распространения радиоволн, предназначенные как для профессиональных связистов и навигаторов, так и для радиолюбителей.

В чем разница между тем, как распространяются радиоволны HF и VHF/UHF?