Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в телерадиовещании

7 Распространение декаметровых радиоволн | назад | содержание | вперёд |

7 Распространение декаметровых радиоволн
7.1 Механизм распространения и физические процессы при распространении декаметровых радиоволн

Радиоволны высоких частот (декаметровые, или короткие волны) занимают диапазон от 3 МГц до 30 МГц, что соответствует длинам волн от 100 м до 10 м.

Как известно, потери радиоволн в земле возрастают с ростом частоты радиоволны. Одновременно с ростом частоты радиоволны хуже огибают сферическую поверхность Земли. Этим объясняется тот факт, что короткие волны (КВ) земной волной распространяются на расстояния, не превышающие десятков километров.

Таким образом, дальняя радиосвязь на коротких волнах осуществляется преимущественно за счет пространственных волн, распространяющихся на большие расстояния в результате многократного отражения от ионосферы и от поверхности Земли. Практически на коротких волнах возможно организовать радиосвязь между любыми двумя пунктами, расположенными на поверхности Земли, используя для этого сравнительно небольшие мощности передатчика. Это объясняется тем, что потери в ионосфере на этих частотах сравнительно невелики, а поглощение энергии волны при отражении от Земли наблюдается только в области формирования отраженного луча, а не на всем протяжении радиолинии.

Определим вначале роль слоев ионосферы в процессе распространения коротких (декаметровых) волн. В табл. 7.1 приведены сведения о максимальных частотах отражения от ионосферы для слоев Е и F. Отметим сразу же, что слой D, имея критическую частоту в интервале 0,1 – 0,7 МГц, не может служить в качестве отражающего слоя ни при каких углах падения волны на слой.

Таблица 7.1

r (км) | 200 | 500 | 1000 | 2000 | 4000
f макс Е, МГц | - | 1,6 | 2,1 | 2,4 | -
f макс F 2, МГц | 4,0 | 5,5 | 8,4 | 12,5 | 20,7

Данные табл. 7.1 отражают состояние ионосферы для наиболее неблагоприятных условий отражения, те в ночные часы, когда электронная концентрация в среднем не превышает величины 2,5∙105 в слое F и 5∙103 в слое Е.

Из табл. 7.1 следует, что слой Е в качестве отражающего слоя для коротких волн может служить на расстояниях, превышающих 200 км, оставаясь при этом и поглощающим слоем. Несложно показать, что максимальное расстояние, на которое может распространяться волна, отраженная от слоя Е, из-за кривизны Земли ограничена величиной порядка 2500 км. В то же время слой F отражает короткие волны практически при любых углах падения, а максимальная протяженность радиолинии при односкачковом распространении составляет примерно 4000 км.

Таким образом, слой F является основным отражающим слоем на коротких волнах, а слой D и Е – поглощающими слоями. В дневное время в летние месяцы, когда слой F расщепляется на два слоя F1 и F2, отражение может происходить как от слоя F2, так и от слоя F1. В ночное время, когда слой F1 отсутствует, в качестве отражающего служит слой F2.

Нормальные условия распространения коротких волн могут нарушаться во время возникновения спорадического слоя ЕS. Обладая в ряде случаев весьма высокой электронной концентрацией, слой ЕS становится отражающим слоем для коротких волн. Так как слой ЕS расположен на высоте слоя Е, то в случае его возникновения слой F перестает принимать участие в распространении коротких волн.

Как было показано в разделе 4, диэлектрическая проницаемость ионосферы и удельная проводимость определяются из формул:

(7.1)

где: N – электронная концентрация, ν – число соударений электронов с нейтральными частицами в секунду.

На коротких волнах ω>>ν, поэтому формулы для εи σи принимают более простой вид:

(7.2)

Кроме того, при тех значениях N и ν, которые характеризуют состояние слоев Е и F2 ионосферы, в диапазоне коротких волн справедливо неравенство:

. (7.3)

Поэтому коэффициент поглощения следует определять по формуле, которая получена в разделе 4 для среды по своим свойствам близкой к диэлектрику:

. (7.4)

На коротких волнах с достаточной точностью можно положить εи»1. Подставляя (7.2) в (7.4) получим окончательно:

, . (7.5)

Полученная формула позволяет сделать следующие важные выводы. Во-первых, поглощение в ионосфере на коротких волнах обратно пропорционально частоте волны, что соответствует утверждению, сделанному в разделе 4. Во-вторых, поглощение в ионосфере определяется произведением электронной концентрации и числа соударений электронов с нейтральными частицами. Как следует из табл. 4.2, это произведение имеет максимальное значение для слоя Е. Расчет показывает, что поглощение в слое Е примерно в сто раз превосходит поглощение в слое F2. Таким образом, основным поглощающим слоем ионосферы на коротких волнах является слой Е.

В реальных условиях поглощение коротких волн происходит также в слое D. На этих высотах ω>>ν, поэтому в формулах (7.2) уже нельзя пренебрегать величиной ν по сравнению с ω.

Подведем итог выше изложенному. Естественно, что для уменьшения поглощения в ионосфере необходимо при радиосвязи на коротких волнах применять более высокие частоты. Однако при этом нужно учитывать, что на радиолинии заданной протяженности должно обеспечиваться условие отражения волны от ионосферы. Поэтому рабочая частота не должна превышать максимальную частоту для данной радиолинии. Работа на максимальной частоте связана с риском нарушения отражения из-за изменчивости состояния слоя F2. Исходя из этого рабочую частоту выбирают примерно равной 0,7 fмакс, тем самым уменьшая вероятность нарушения радиосвязи. Частота волны, отвечающая этим двум условиям, называется оптимальной рабочей частотой (ОРЧ).

Пример 7.1. Определить оптимальную рабочую частоту на коротковолновой линии радиосвязи при следующих условиях:

- протяженность трассы r=2000 км,
- время – летний день.

Оптимальная рабочая частота обычно берется равной 0,7×fмакс. Максимальная рабочая частота fмакс определяется из формулы (4.58):

.

Электронную концентрацию отражающего слоя определим из табл. 4.2 для летнего дня. Так как длина трассы составляет 2000 км, то отражающим слоем будет слой F2. Из этой же таблицы найдем действующую высоту слоя hд. Угол возвышения β найдем из формулы (4.56):

.

Для определения угла падения φ0 волны на слой воспользуемся формулой:

, (7.6)

где геоцентрический угол θ определим из соотношения (5.2):

,

где r – в км.

Вычисленные величины сведем в табл. 7.2.

Таблица 7.2

r (км) | h д (км) | N , см–3 | θо | φ0˚ | β˚ | f макс (МГц)
2000 | 300 | 106 | 9 | 70 | 10,3 | 12,46

Таким образом, оптимальная рабочая частота равняется:

.

Учитывая приведенные выше обстоятельства, весь диапазон коротких волн условно разбивают на три поддиапазона:

- дневные волны (λ = 10 – 25 м) для радиосвязи в дневное время,
- ночные волны (λ = 35 – 100 м) для радиосвязи в ночное время,
- промежуточные волны (λ = 25 – 35 м) для радиосвязи в переходное время суток.

Оптимальные условия радиосвязи в дневное время на дневной волне обеспечиваются тем, что в часы освещенности высокое значение электронной концентрации позволяет использовать максимально высокие частоты, не нарушая условия отражения. Одновременно обеспечиваются условия минимальных потерь в поглощающих слоях.

Работа в ночное время на ночных частотах не нарушает условия отражения при пониженной электронной концентрации, а отсутствие слоя D исключает его из процесса поглощения ионосферной волны.

Нарушение любого из указанных условий приводит к уменьшению времени уверенного приема. Если продолжать работать на дневной волне с наступлением сумерек, то вследствие постепенного уменьшения электронной концентрации слоя F2 наступит момент, когда рабочая частота окажется больше максимальной частоты, и радиоволна перестанет отражаться от слоя. Лишь частично искривляясь, луч будет пронизывать ионосферу, проникая в космическое пространство.

При работе в дневное время на ночной волне условия отражения от слоя F2 будут выполняться, однако потери в сильно ионизированных слоях D и Е могут привести к тому, что напряженность поля может оказаться недостаточной для уверенного приема.

Для обеспечения оптимальных условий распространений радиоволн на коротковолновых радиолиниях в течение суток несколько раз производят смену рабочих частот в соответствии с установленным расписанием.

7.2 Особенности распространения декаметровых радиоволн

Замирания радиосигналов. В диапазоне коротких (декаметровых) волн целесообразно механизм распространения ионосферных волн отображать с помощью лучевого метода (метода геометрической оптики). Напомним, что в соответствии с подобной трактовкой процесса распространения в пункт приема радиоволны приходят по дискретно выраженным траекториям, называемым лучами. На коротких волнах ионосферные волны приходят в пункт приема несколькими лучами, испытавшими разное число отражений от ионосферы (рис. 7.1).

В результате расщепления волны под действием постоянного магнитного поля Земли на обыкновенную и необыкновенную в пункте приема возникает так же суперпозиция двух лучей. Неоднородная структура отражающей области ионосферы приводит к тому, что эта область ведет себя подобно шероховатой поверхности, диффузно рассеивая энергию падающей волны. В результате этого отраженный луч имеет многолучевую структуру.

Во всех рассмотренных случаях поле в пункте приема будет иметь интерференционный характер. В результате непрерывно изменяющихся параметров слоя F2 амплитуды и фазы вторичных лучей имеют случайный характер и при сложении лучей в пункте приема вызывают беспорядочные и быстрые флуктуации уровня сигнала, называемые замираниями. Такие замирания называются интерференционными.

Влияние постоянного магнитного поля Земли приводит к тому, что в общем случае поляризация отраженной от ионосферы волны становится эллиптической. В результате флуктуаций электронной концентрации отражающего слоя ионосферы ориентация эллипса поляризации (рис. 4.9) и его конфигурация испытывают беспорядочные изменения. Это приводит к тому, что ЭДС, наведенная волной в приемной антенне, испытывает беспорядочные колебания, вызывая замирания сигнала на входе приемника. Такие замирания называются поляризационными.

Как меру борьбы с интерференционными замираниями применяют пространственный или частотный разнос (см. раздел 3), а для борьбы с поляризационными замираниями применяют разнос по поляризации. Смысл последнего заключается в том, что прием ведется одновременно на две антенны, одна из которых – антенна вертикальной поляризации, а другая – горизонтальной поляризации.

Зоны молчания. Зоной молчания или мертвой зоной называется кольцевая область вокруг передающего центра, в которой отсутствует прием (рис. 7.2). На расстоянии, которое меньше внутреннего радиуса r1 кольцевой зоны, прием обеспечивается за счет поля, создаваемого земной волной. На расстояниях, превышающих внешний радиус r2 зоны, прием ведется за счет пространственных (ионосферных) радиоволн, отраженных от ионосферы. Нетрудно установить причину возникшего эффекта. Поверхностная волна мертвой зоны не достигает из-за больших потерь в земле. Как было показано выше, рабочая длина волны незначительно отличается от максимальной частоты, величина которой определяется углом возвышения луча β, который в свою очередь зависит от протяженности радиолинии. Для того, чтобы луч мог попасть в область мертвой зоны, нужно увеличить угол возвышения β, однако в этом случае будут нарушены условия отражения луча от ионосферы. Свой вклад в существование мертвой зоны вносит также диаграмма направленности передающей антенны, так как существуют ограничения в увеличении угла возвышения, определяемые шириной главного лепестка диаграммы направленности. Смысл сказанного можно пояснить с помощью рис. 7.3.

Ширина главного лепестка диаграммы направленности передающих КВ антенн обычно лежит в пределах 15-30˚. Угол возвышения антенны β выбирается из условия попадания отраженного луча в пункт приема В. Поэтому лучи, которые могли бы отражаться под более крутыми углами (на рис. 7.3 пунктир), имеют малую мощность, что исключает возможность уверенного приема в мертвой зоне.

Внешний радиус мертвой зоны определяется условиями распростра-нения ионосферных радиоволн, он зависит от времени суток и от частоты волны.

Эхо на коротких волнах. Сравнительно небольшое поглощение, которое испытывают короткие волны в ионосфере, способствует тому, что возникает возможность многократного распространения их вокруг земного шара. Это приводит к возникновению так называемого кругосветного радиоэха. Различают прямое и обратное кругосветное радиоэхо. Механизм возникновения прямого и обратного кругосветного радиоэха поясняется при помощи рис. 7.4.

Из пункта А в пункт В волна, отражаясь от ионосферы конечное количество раз, попадает по траектории 1. Для простоты “скачки” отраженного луча не показаны. При возникновении благоприятных условий в точку В может попасть луч, излучаемый передающей антенной в обратном направлении по более длинному пути 2. Если протяженность радиолинии меньше половины периметра Земли, то обратный сигнал придет в точку В с запозданием относительно первого луча. Время запаздывания тем больше, чем больше разница прямого и обратного расстояний. Если предположить, что скорость распространения волны равна скорости света в пустоте, и пренебречь ломаным характером траектории волны, то при длине радиолинии 1000 км время запаздывания составит примерно 0,13 с.

Прямым кругосветным радиоэхом называют явление запаздывания луча 3, приходящего в пункт В в результате распространения волны вокруг Земли в прямом направлении (рис. 7.4). Радиоэхо регистрируется как на слух при передаче телеграфных и телефонных сигналов, так и оконечными устройствами на приемных пунктах при передаче телеграфных посылок. Принимая во внимание, что в ряде случаев интенсивность эхо-сигналов оказывается одного порядка с интенсивностью основного сигнала, приходится считать радиоэхо вредным явлением, нарушающим все виды радиосвязи. При телеграфном виде работы радиоэхо является причиной возникновения ложных посылок. При относительно небольших запаздываниях наложение эхо-сигналов на основную последовательность посылок приводит к размыванию их фронтов.

Влияние нерегулярных процессов в ионосфере на распространение декаметровых радиоволн. Нерегулярные процессы в ионосфере подробно исследовались в разделе 4. Все виды ионосферных возмущений имеют прямое отношение к распространению коротких волн, поскольку они происходят исключительно в слое F2, который для них является основным отражающим слоем. Имея непрогнозируемый характер, эти процессы приводят к нарушению работы радиолиний. Особенно это характерно для тех радиолиний, на которых область отражения луча находится в высоких широтах. Мерами борьбы с подобными нарушениями радиосвязи является маневрирование рабочими частотами и организация ретрансляции через дополнительные радиоцентры, находящиеся вне действия ионосферных возмущений. Это в некоторой степени снижает их влияние на работу коротковолновых радиолиний, которые и в настоящее время имеют самое широкое применение.

7.3 Основы расчета радиолиний, работающих в диапазоне декаметровых радиоволн

Конечной целью расчета радиолиний в декаметровом диапазоне является определение мощности передатчика, необходимой для обеспечения бесперебойной работы радиолинии. Эта задача разбивается на три этапа. На первом этапе определяются оптимальные рабочие частоты, и составляется график суточного хода ОРЧ с указанием времени смены частот.

На втором этапе рассчитывается множитель ослабления, с помощью которого определяется медианное значение напряженности поля. На заключительном этапе определяется требуемая мощность передатчика с учетом медленных и быстрых замираний.

Определение оптимальных рабочих частот и составление расписания смены частот. Наиболее простым способом определения оптимальных частот является применение ионосферных карт (рис. 4.2, 4.3). При постоянной электронной концентрации максимальные и критические частоты связаны законом секанса (4.54):

, (7.7)

где φ0 – угол падения волны на слой ионосферы.

Для заданной протяженности радиолинии величину φ0 можно определить с помощью теорем эквивалентности, заменяя криволинейную траекторию волны ломаной линией с вершиной в точке отражения. Формула для определения φ0 имеет вид (7.6);

,

где hд – действующая высота отражающего слоя,

Θ – геоцентрический угол, определяемый из выражения (5.2):

,

где r – в км.

Сведения о действующей высоте отражающего слоя публикуется в прогнозах радиоволн.

Поскольку сведения о состоянии ионосферы в виде ионосферных карт составляются с интервалом 2 часа, то с их помощью не представляет труда составить график суточного хода максимальных частот, и на этом основании составить график суточного хода оптимальных рабочих частот. На приемные радиоцентры также регулярно поступают краткосрочные прогнозы радиоволн, дающие оперативную информацию об оптимальных частотах на данной радиолинии.

На протяженных радиолиниях волна в пункт приема приходит несколькими скачками. В этом случае определяют максимальные частоты для всех точек отражения и в качестве максимальной частоты выбирают минимальное значение.

Определение множителя ослабления. Все методы расчета напряженности поля в диапазоне декаметровых волн являются полуэмпирическими, так как в расчет входит ряд величин, полученных экспериментально. Наиболее распространенным методом определения множителя ослабления является метод, разработанный А.Н. Казанцевым.

По А.Н. Казанцеву формула для определения множителя ослабления имеет вид:

, (7.8)

где Г – модуль коэффициента отражения от поверхности Земли, n – количество отражений от ионосферы, δ – суммарный коэффициент поглощения в слоях ионосферы.

Число отражений n, испытываемых лучом на трассе протяженностью r, определяется по формуле:

, (7.9)

где r – в км.

В знаменатель формулы (7.8) введен множитель 2, что соответствует уменьшению поля на 6 дБ. Из них 3 дБ А.Н. Казанцев относит за счет того, что приемная антенна имеет линейную поляризацию, а луч в процессе отражения от ионосферы приобретает эллиптическую поляризацию. Еще 3 дБ обусловлены потерями при расщеплении луча.

Множитель учитывает влияние отраженной от земли волны в месте расположения приемной антенны. Если бы приемная антенна B (рис.7.1.) находилась на оптимальной высоте h над поверхностью Земли, то лучи 1 и 2 имели бы одинаковую фазу и напряженность результирующего поля (при горизонтальной поляризации) определялась бы по формуле , где Е0 – поле прямого луча. В реальных условиях вследствие изменений высоты отражающего слоя обеспечить выполнение оптимальных условий не представляется возможным, и А.Н. Казанцев берет среднее значение коэффициента, учитывающего влияние отраженного луча, а именно, . Обычно величина Г очень близка к единице, и потому можно положить . А.Н. Казанцев рекомендует выбирать значение Г порядка 0,8.

Третий множитель учитывает потери при отражении от поверхности Земли в промежуточных точках. Для односкачковых линий связи подобные отражения отсутствуют, и Г n-1=1.

Четвертый множитель учитывает поглощение в ионосфере. Суммарный коэффициент поглощения δ определяется из формулы:

, (7.10)

в которой учитывается поглощение при двукратном прохождении слоев D, E, F1 и поглощение в отражающем слое F2. Если отражение происходит от слоя F1, то формула для коэффициента поглощения примет вид:

. (7.11)

На рис. 7.5 в качестве примера приводятся графики интегральных коэффициентов поглощения при прохождении волны через слои D, E и F, определенных А.Н. Казанцевым экспериментально для конкретных условий распространения.

В инструкции по использованию метода А.Н. Казанцева приводятся графи-ки для интегральных коэффициентов поглощения для различной протяженности радиотрасс, времени суток и сезона.

Определение мощности передатчика. Предполагается известными: протяженность трассы r, коэффициенты направленности передающей D1 и приемной антенн D2, защитное отношение , число разнесенных антенн и требуемая надежность работы радиолинии в процентах.

Вначале определяется мощность передатчика, необходимая для исправной работы радиолинии в течение 50% времени за сутки по формуле (2.16), где множитель ослабления определяется по формуле А.Н. Казанцева (7.8). Интегральный коэффициент ослабления в слоях ионосферы определяется по графикам, приложенным к инструкции по пользованию методом А.Н. Казанцева.

Для компенсации медленных и быстрых замираний необходимо определить поправку мощности передатчика. Для компенсации медленных замираний можно воспользоваться графиком рис.3.14, а для компенсации быстрых замираний – графиком рис. 3.12 для заданного количества разнесенных антенн.

Пример 7.2. Определить мощность передатчика для следующих исходных данных:

- протяженность радиолинии r = 3000 км,
- необходимая мощность сигнала на входе приемника с учетом помех Р2 =10 -9 Вт,
- длина рабочей волны λ = 20 м,
- коэффициент направленности передающей антенны D1 = 20 дБ,
- коэффициент направленности приемной антенны D2 =16 дБ,
- надежность работы радиолинии 99%.

Определим медианное значение множителя ослабления. Из инструкции по использованию метода А.Н. Казанцева для исходных данных определим интегральный множитель ослабления в слоях ионосферы – 1,4.

Полагая, что коэффициент отражения от Земли равен 0,8, определим множитель ослабления из формулы (7.8):

.

Затем по формуле (2.16) определим мощность передатчика, необходимую для работы радиолинии в течение 50% времени за сутки.

Вт.

Для компенсации медленных замираний воспользуемся графиком рис. 3.14, откуда следует, что величина поправки составляет 18 дБ. Для компенсации быстрых замираний из рис. 3.12 поправка мощности при двукратном разнесении составляет 8 дБ, что в сумме составляет 26 дБ, или 398 раз. Таким образом, результирующая мощность передатчика равна 0,2×398=78 кВт.

Вопросы для самопроверки

1. Какой диапазон частот занимает декаметровые радиоволны.

2. Объяснить механизм распространения декаметровых радиоволн.

3. Объяснить, зачем весь диапазон декаметровых радиоволн разбивают на поддиапазоны?

4. Какие виды замираний имеют место в диапазоне декаметровых волн?

5. Что называется зонами молчания?

6. Что называется радиоэхом? Какие виды радиоэхо имеются в диапазоне декаметровых волн?

7. Каким образом определяются оптимальные рабочие частоты на радиолиниях в декаметровом диапазоне радиоволн?

8. Объяснить методику определения необходимой мощности передатчика для обеспечения заданного качества радиосвязи.

назад | cодержание | вперёд