Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в телерадиовещании

5 Распространение мириаметровых и километровых радиоволн | назад | содержание | вперёд |

5 Распространение мириаметровых и километровых радиоволн
5.1 Особенности распространения мириаметровых и километровых радиоволн

Радиоволны очень низких и низких частот (соответственно называемые мириаметровыми и километровыми волнами) занимают диапазон частот 3∙104 – 3∙105 Гц (НЧ) и 3∙103 – 3∙104 Гц (ОНЧ). Эти частоты соответствуют длинам волн от 105 до 103 м. Применительно к радиовещанию радиоволны этого диапазона традиционно называются также сверхдлинными (СДВ) и длинными волнами (ДВ). Для удобства в дальнейшем будем придерживаться последней терминологии.

В пределах всего диапазона модуль отношения плотности тока проводимости к плотности тока смещения в почве много больше единицы, благодаря чему поверхность Земли ведет себя как высокопроводящая среда. По этой причине длинные и сверхдлинные волны испытывают лишь незначительное проникновение в глубь Земли при распространении вдоль ее поверхности.

Благодаря большой длине эти волны хорошо огибают сферическую поверхность Земли, и их распространение описывается законами дифракции. Как следует из рис.5.1, препятствием для поверхностной волны является сегмент, ограниченный хордой АВ.

Если отношение высоты сегмента к длине волны много меньше единицы, то кривизной Земли можно пренебречь, и расчет множителя ослабления вести по формуле Шулейкина – ван дер Поля (5.1). В противном случае расчет проводится с учетом сферичности Земли.

Определим область применимости формулы Шулейкина – ван дер Поля. Относительная высота сегмента (рис. 5.1.) определяется из формулы:

, (5.1)

где θ – геоцентрический угол, который можно определить из формулы:

, (5.2)

где r – в км.

Рис. 5.2. К расчёту области применимости формулы Шулейкина - ван дер Поля

На рис. 5.2 приведены результаты расчета относительной высоты сегмента h для радиотрасс различной протяженности в диапазоне длин волн от 103 м до 105 м, откуда следует, что область применимости формулы Шулейкина – ван дер Поля в зависимости от длины волны колеблется от 100 до 800 км.

Начиная с расстояний 300 – 400 км, кроме поверхностной волны, присутствует волна, отраженная от ионосферы. Отсутствие ионосферной волны на более близком расстоянии от передатчика опреде-ляется диаграммой направленности передающей антенны в вертикальной плоскости, которая с достаточной точностью повторяет форму диаграммы направленности диполя Герца (рис. 5.3).

Для отражения от ионосферы длинных и сверхдлинных волн требу-ется электронная концентрация, не превышающая величины 103 эл/см3. Поэтому в дневное время эти волны способны отражаться от нижней границы слоя D, а в ночное время – от нижней границы слоя Е, не проникая в глубь слоя и не испытывая при этом значительного поглощения.

С увеличением расстояния доля ионосферной волны увеличивается, и на расстоянии около 700 – 1000 км поля поверхностной и пространственной волн становятся примерно равными. На расстоянии свыше 3000 км пространственная волна приобретает доминирующее значение.

Испытывая незначительное поглощение в почве и ионосфере, пространственная волна распространяется между двумя полупроводящими поверхностями как в сферическом диэлектрическом волноводе. Как и во всяком волноводе, для этих волн существует критическая длина волны. Она имеет тот же порядок, что и высота нижней границы отражающего слоя, т.е. около 100 км. Таким образом, волны с длиной свыше 100 км между поверхностью Земли и ионосферой распространяться не могут.

Сферическая форма волновода вызывает особенность распространения, известную как “эффект антипода”. Этот эффект заключается в возрастании напряженности поля в точке, расположенной на противоположном конце диаметра Земли, проведенного через передающую антенну. Первоначально рассмотрим случай (рис.5.4), когда обе стенки волновода являются идеально проводящими.

Предположим, что плотность потока энергии волны постоянна по всей высоте волновода. Учитывая, что в диапазоне длинных и сверхдлинных волн применяются антенны, не имеющие направленных свойств в горизонтальной плоскости, запишем выражение для вектора Пойнтинга в точке В:

, (5.3)

где Р1 – излучаемая мощность передатчиком, расположенным в точке А, D1 – коэффициент направленного действия передающей антенны, S - площадь конического кольца, в пределах которого распределяется энергия волны. Учитывая, что h<<a, площадь S можно определить по формуле:

, (5.4)

где CD – средний радиус конического кольца.

Множитель ослабления по отношению к свободному пространству можно определить, приравнивая значение П в (5.3) к величине , откуда следует, что:

. (5.5)

Выражение для напряженности поля с учетом (1.6) можно записать в виде:

, , (5.6)

где Р1 – в кВт, r, a и h – в км.

На рис. 5.5 приводится зависимость напряженности поля волны от расстояния от передатчика (пунктирная линия), которая подтверждает высказанное ранее утверждение о возрастании напряженности поля в антиподе. Здесь же (сплошная линия) приведена реальная зависимость с учетом поглощения.

Механизм этого явления можно объяснить следующим образом. Площадь конического кольца, на которой распределена энергия волны, растет по мере увеличения угла θ и достигает максимума при θ = 90˚, а затем уменьшается. Величина плотности потока П при уменьшении S по мере приближения к точке антипода увеличивается, а напряженность поля возрастает.

Особенностью длинных и сверхдлинных волн является малая зависимость условий распространения от времени года, времени суток и от солнечной активности. Ночью напряженность поля несколько увеличивается, так как отражение происходит от слоя Е, где число соударений электронов и нейтральных частиц меньше, чем в слое D.

Не проникая в глубь ионосферы, длинные и сверхдлинные волны не испытывают влияния ионосферных возмущений, отличаясь высокой стабильностью распространения. Это позволяет их использовать в системах аварийной связи и радионавигации. Сверхдлинные волны достаточно глубоко проникают в толщу моря, что позволяет использовать их для связи с подводными лодками, находящимися в полупогруженном состоянии.

Недостатком рассматриваемого диапазона волн является высокий уровень атмосферных помех и применение передатчиков большой мощности, работающих с антеннами очень больших размеров.

5.2 Расчет напряженности поля

Расчет напряженности поля на длинных и сверхдлинных волнах сопряжен с большими трудностями и до сих пор не имеет строгого аналитического обеспечения. Причина заключается в одновременном существовании двух механизмов распространения в виде поверхностной волны и волноводным способом. Теория волноводного распространения в настоящее время еще не доведена до завершения из-за трудностей, связанных с математическим моделированием реального ионосферного волновода с полупроводящими стенками и неявно выраженной верхней границей в виде ионосферного слоя.

На расстояниях до 2000 км расчет ведется по графикам (рис.5.6а и 5.6б), содержащимся в рекомендациях Международного консультативного комитета по радиосвязи (МККР), которые получены в результате расчета по дифракционным формулам. На расстояниях, превышающих 2000 км, расчет напряженности поля производится по эмпирическим формулам.

Чаще всего применяется так называемая формула Остина, полученная на основании обобщения результатов многочисленных измерений напряженности поля:

, , (5.7)

где r – в км, λ - в км, Р1 – в кВт.

Формула Остина позволяет определять напряженность поля при распространении над морем в дневные часы. Поглощение при распространении длинных и сверхдлинных волн в основном определяется потерями при отражении от ионосферы и почти не зависит от свойств земной поверхности. Поэтому формула Остина может применяться и при расчете напряженности поля при распространении волны над сушей, однако, только на расстояниях свыше 2000 – 3000 км. Во всех случаях формулой Остина можно пользоваться до расстояний 16000 – 18000 км.

Вопросы для самопроверки

1. Какой частотный спектр занимает мириаметровые и километровые радиоволны?

2. Объяснить, какие механизмы распространения имеют место в диапазоне мириаметровых и километровых волн?

3. Объяснить причину того, что на небольших расстояниях от передатчика отсутствуют ионосферные волны?

4. Что называется эффектом антипода и в чем его причина?

5. Что называется ионосферным волноводом?

6. Объяснить методику расчета напряженности поля мириаметровых и километровых радиоволн?

назад | cодержание | вперёд