Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в телерадиовещании

8 Распространение ультракоротких радиоволн | назад | содержание | вперёд |

8 Распространение ультракоротких радиоволн
8.1 Общие вопросы распространения ультракоротких радиоволн

Волны ультракоротковолнового диапазона (УКВ) занимают в целом полосу частот от 30 МГц до 3000 ГГц. В соответствии с Регламентом радиосвязи весь этот диапазон частот разбивается на пять поддиапазонов:

– метровые волны (очень высокие частоты)
– дециметровые волны (ультравысокие частоты)
– сантиметровые волны (сверхвысокие частоты)
– миллиметровые волны (крайне высокие частоты)
– децимиллиметровые волны.

Если исключить поддиапазоны миллиметровых и децимиллиметровых волн, которые пока практически не используются в наземных системах радиосвязи, то ширина полосы основной части диапазона составит около 30000 МГц. Это более чем в 1000 раз превышает ширину полосы частот диапазона декаметровых волн.

Таким образом, в этом диапазоне можно разместить значительно больше каналов связи, чем в диапазоне сверхдлинных, длинных, средних и коротких волн вместе взятых. Диапазон ультракоротких волн (УКВ) является единственным диапазоном, в котором осуществляется передача телевидения и организуется высококачественное ЧМ радиовещание через наземные и спутниковые системы радиосвязи. В последнее десятилетие получили бурное развитие все виды радиосвязи, использующие глобальную спутниковую сеть и работающие также в диапазоне УКВ системы подвижной связи.

Каждый из указанных поддиапазонов имеет свои особенности распространения, но основные положения свойственны всему диапазону в целом. К общим свойствам можно отнести следующее. Все радиоволны диапазона УКВ распространяются прямолинейно и практически не огибают сферическую поверхность Земли. Это накладывает ограничение на протяженность радиолиний, использующих для радиосвязи поверхностные волны. Для всех волн этого диапазона поверхность Земли является неровной поверхностью, что требует соответствующих корректив в методах расчета напряженности поля. Влияние тропосферы на распространение ультракоротких волн проявляется в том, что все радиоволны этого диапазона испытывают рефракцию в тропосфере. Ионосфера же не оказывает заметного влияния на распространение радиоволн практически во всем УКВ диапазоне.

Ниже рассматриваются особенности распространения радиоволн каждого поддиапазона в отдельности.

8.2 Особенности распространения метровых радиоволн

Радиоволны этого поддиапазона занимают полосу частот от 30 до 300 МГц, что соответствует длинам волн от 10 до 1 м. Как правило, условия отражения от ионосферы при ее нормальном состоянии на этих волнах не выполняются, поэтому они свободно проникают в космическое пространство.

Из раздела 2 известно, что метровые волны слабо дифрагируют вокруг поверхности Земли, и поэтому дальность их распространения в качестве земных волн лишь немногим превышает расстояние прямой видимости.

Расчет поля земных волн за пределами прямой видимости осуществляется по дифракционной формуле (2.8). В пределах прямой видимость расчет поля производится по интерференционным формулам (2.31), (2.39).

На распространении метровых волн существенно сказывается рельеф местности, влияние которого проявляется в ослаблении уровня сигнала и образование отраженных лучей от неровностей в виде препятствий. Особенно сильно это сказывается в условиях городских застроек, вызывающих экранизирующий эффект. Методы расчета поля в подобных условиях рассмотрены в разделе 2.

Ионосферное распространение метровых радиоволн. При обычном состоянии ионосферы метровые волны свободно пронизывают ее толщу и проникают в космическое пространство, испытывая при этом весьма незначительное ослабление. Однако в годы высокой солнечной активности в результате возрастания критической частоты слоя F2 возможно отражение радиоволн от слоя на частотах, значительно превышающих частоты диапазона декаметровых волн. Отмечены случаи распространения метровых радиоволн с частотой до 60 МГц. В годы максимума солнечной активности возрастает вероятность возникновения спорадического слоя ES с электронной концентрацией, позволяющей отражаться радиоволнам с частотой до 70 МГц. Все это в целом создает условия для распространения метровых волн на расстояния до нескольких тысяч километров.

Рассеяние метровых радиоволн в ионосфере. Механизм ионосферного рассеяния принципиально ничем не отличается от механизма рассеяния радиоволн в тропосфере. Ионосфера, как и тропосфера неоднородна в смысле распределения электронной концентрации. В результате горизонтального и вертикального дрейфа под действием ионосферных ветров в ионосфере образуются локальные неоднородности, которые становятся причиной диффузного рассеяния метровых волн. С ростом частоты волны эффективность рассеяния быстро снижается, и на волнах короче порядка 5 метров с этим явлением можно совершенно не считаться. С другой стороны, на волнах длиннее 10 м доминирующим фактором распространения становится отражение волны от ионосферы. Таким образом, ионосферное рассеяние как механизм, который может быть использован для организации радиосвязи на УКВ на большие расстояния, эффективно только в весьма узком диапазоне волн от 5 до 10м.

Вследствие большей (чем в случае тропосферного рассеяния) высоты рассеивающей области протяженность радиолинии по поверхности Земли достигает порядка 2000 км. Однако на расстояниях меньше 800 км угол рассеяния θ принимает столь большие значения, что эффективность рассеяния резко падает. Поэтому ослабление поля в процессе распространения компенсируется применением передатчиков большой мощности и применением остронаправленных антенн. Обычно мощность передатчика составляет величину порядка нескольких десятков кВт.

Целесообразно использовать этот вид радиосвязи в полярных областях, где частые ионосферные возмущения нарушают коротковолновую радиосвязь. Существенным недостатком этого вида радиосвязи являются замирания сигнала в пункте приема. Так же, как и на тропосферных радиолиниях, из-за многолучевого характера распространения, в пункт приема из объема рассеяния приходит множество лучей с произвольными амплитудами и случайными фазами. В результате их одновременного воздействия уровень сигнала на входе приемника подвержен замираниям. Меры борьбы с замираниями те же, что и в случае тропосферного распространения радиоволн.

Определение мощности передатчика, необходимой для обеспечения заданной надежности работы радиолинии, производится по формуле (1.16), где медианное значение множителя ослабления обычно определяется на основании экспериментальных данных. Компенсация быстрых и медленных замираний производится по графикам (рис. 3.12 и рис.3.14).

Отражение метровых волн от ионизированных следов метеоров. При сгорании в верхних слоях земной атмосферы на высоте около 80 – 120 км метеорные частицы ионизируют воздух, оставляя за собой столбообразные образования с повышенной электронной концентрацией. Начальный диаметр столба не превышает нескольких сантиметров. Вследствие диффузии метеорный след быстро расширяется, а плотность образовавшихся заряженных частиц уменьшается.

В течение суток в атмосферу Земли попадают сотни миллиардов таких метеоров (метеоры в отличие от метеоритов – мельчайшие частицы вещества, которые имеют размеры порядка долей миллиметра), которые образуют ионизированные следы протяженностью до нескольких десятков километров. Имея достаточно высокую электронную концентрацию, такие столбы ионизированного воздуха способны отражать метровые волны, причем направление распространения отраженной волны соответствует наклону траектории метеорного следа относительно земной поверхности.

Направленное рассеяние радиоволны от метеорных следов используется для организации радиолинии в метровом диапазоне волн. Однако, как следует из сказанного выше, для радиосвязи на конкретной радиолинии пригодны не все метеорные следы, а только те, которые обеспечивают попадание волны, отраженной от следа, в нужном направлении. Длительность существования ионизированных следов колеблется в интервале 0,1 – 100 с. Поэтому до возникновения очередного благоприятного для радиосвязи следа радиолинии находится в режиме ожидания. В это время информация, предназначенная для передачи, накапливается специальными запоминающими устройствами. Такая радиосвязь называется прерывистой. В связи с бурным развитием спутниковых систем радиосвязи интерес к подобному способу передачи информации заметно снизился.

8.3 Особенности распространения дециметровых, сантиметровых и миллиметровых радиоволн

В целом эти волны занимают частотный спектр от 300 МГц до 30000 МГц, что соответствует длинам волн от 1 м до 1 мм. Радиоволны субмиллиметрового диапазона пока не нашли практического применения и из дальнейшего рассмотрения исключается.

Всему рассматриваемому диапазону присущи общие свойства, которые проявляются в том, что эти волны свободно проникают сквозь всю толщу ионосферы, не испытывая при этом заметного поглощения. Практически не дифрагируя вокруг Земли, эти волны как поверхностные могут применяться только на расстояниях, не превышающих расстояние прямой видимости.

Дециметровые и сантиметровые волны испытывают слабое поглощение в тропосфере, поэтому широко применяются в системах спутниковой связи. В диапазоне миллиметровых волн сильно сказывается молекулярное поглощение в парах воды и газах тропосферы. Особенно сильно сказывается ослабление волны в гидрометеорах в виде дождя, снега или града. Это существенно ограничивает возможности применения миллиметровых волн в практике радиосвязи.

Вопросы для самопроверки

1. Какой частотный диапазон занимают ультракороткие волны?

2. Перечислить особенности распространения метровых радиоволн.

3. Перечислить особенности распространения дециметровых, сантиметровых и миллиметровых радиоволн.

назад | cодержание | вперёд