Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в телерадиовещании

6 Распространение гектометровых радиоволн | назад | содержание | вперёд |

6 Распространение гектометровых радиоволн
6.1 Особенности распространения гектометровых радиоволн

Радиоволны средних частот (они же гектометровые, или средние волны) занимают диапазон частот от 3·105 до 3·106 Гц, что соответствует длине волны от 1000 м до 100 м.

Средние волны (СВ) могут распространяться как земные (поверхностные) волны и как пространственные (ионосферные). В отличие от диапазона СДВ и ДВ на этих волнах поверхность Земли проявляет себя как полупроводящая среда, благодаря чему из-за большого поглощения дальность распространения поверхностной волны не превышает расстояния 500 – 700 км.

Как следует из условия отражения от ионосферы (6.53) вертикально падающей волны, для отражения средних волн требуется электронная концентрация не менее 103 . Отсюда следует, что основным отражающим слоем для средних волн является слой Е, в то время как слой D является поглощающим слоем.

Для излучения поверхностных волн в средневолновом диапазоне применяют антенны вертикальной поляризации в виде вертикальных вибраторов. Длина их, как правило, значительно меньше длины волны. Поэтому диаграмма направленности антенны, как и в диапазоне ДВ и СДВ, приближается по форме к диаграмме направленности элементарного электрического излучателя (диполя Герца). В направлении, близком к оси, такие антенны практически не излучают, поэтому поле ионосферной волны на средних волнах имеет существенное значение только на расстояниях, превышающих несколько сотен километров (рис.6.3). Вблизи передатчика поле пространственной волны практически отсутствует.

В зоне действия поверхностной волны (ближней зоне) напряженность поля отличается высокой стабильностью и не зависит от времени суток, времени года и состояния ионосферы. Поэтому в пределах ближней зоны средневолновые радиовещательные станции обеспечивают гарантированное качество вещания.

В средней зоне, где уровни напряженности поля поверхности и пространственной волн соизмеримы, ситуация становится иной. В дневное время, когда существует слой D, потери энергии волны в нем настолько велики, что пространственная волна практически отсутствует, и связь обеспечивается за счет поверхностной волны. Как и в ближней зоне, напряженность поля поверхностной волны отличается высокой стабильностью. В ночное время, когда поглощающий слой D отсутствует, возникает пространственная волна. В этих условиях поле в пункте приема представляет собой результата интерференции поверхностной и пространственной волны. Высота области отражения пространственной волны из-за флуктуаций электронной концентрации отражающего слоя непрерывно и беспорядочно изменяется, что приводит к изменениям длины траектории пространственной волны. В результате фаза волны, равная , также испытывает беспорядочные изменения. Это приводит к флуктуациям амплитуды результирующей волны, которые называются замираниями (федингом) (рис.6.1).

Как следует из приведенной выше формулы, чем короче длина волны, тем значительнее изменения фазы и, следовательно, тем более глубокий характер имеют замирания.

Под действием замираний напряженность поля волны может изменяться в десятки раз, а средняя продолжительность замираний колебаться в пределах от секунды до нескольких десятков секунд.

На больших расстояниях от передатчика, где поверхностная волна практически отсутствует, прием возможен только в ночное время за счет пространственных волн. Испытывая различное количество отражений от ионосферы, пространственные волны интерферируют в пункте приема, вызывая эффект замираний (рис. 6.2). В дневное время прием в дальней зоне невозможен, из-за сильного поглощения пространственных волн в слое D.

Замирания радиосигнала имеют вредный харак-тер, так как во время замирания отношение мощности полезного сигнала к мощности помех может иметь значения, не обеспечивающие требуемого качества приема. Для увеличения зоны уверенного приема применяют специальные передающие антенны, называемые антифединговыми, которые имеют диаграмму направленности в вертикальной плоскости, сильно прижатую к Земле (рис. 6.3).

Благодаря этому на расстояниях до нескольких сотен километров поле поверхностной волны увеличивается, а поле пространственной волны уменьшается, результатом чего является уменьшение глубины замираний.

Перекрестная модуляция в ионосфере. На средних волнах во время работы сверхмощной передающей станции (мощность порядка 1 МВт) ионосфера ведет себя как нелинейная среда. Эффект нелинейности проявляется в том, что диэлектрическая проницаемость εи и проводимость σи становятся зависимыми от напряженности поля волны. Явление подобно тому, что происходит в электрической цепи, содержащей активный элемент (электронную лампу или транзистор). В отличие от цепи, содержащей только пассивные элементы (резисторы), в цепи с активным элементом изменение приложенного напряжения приводит к изменению не только тока в цепи, но и к изменению параметров активного элемента (его внутреннего сопротивления).

В результате этих процессов коэффициент поглощения ионосферы:

. (6.9)

Таким образом, происходит ослабление напряженности поля волны, излучаемой сверхмощной радиостанцией, пропорциональное ее напряженности поля. Иными словами, происходит демодуляция сигнала.

Подобное явление происходит и с сигналами менее мощных станций, волны которых распространяются в области, где распространяются волны мощной станции. При этом сигнал маломощной станции испытывает ослабление, пропорциональное изменению напряженности поля мощной станции, и, таким образом, оказывается, модулирован модулирующим напряжением сигнала мощной станции. Это явление называется перекрестной модуляцией. Проявляется это явление как прослушивание сигнала мощной станции на частоте маломощной станции, т.е. как вторичная паразитная модуляция, которую нельзя устранить более тонкой настройкой радиоприемника. Явление перекрестной модуляции в ионосфере часто называют Горьковско-Люксембургским эффектом, так как впервые перекрестная модуляция была обнаружена при работе первых сверхмощных радиостанций на средних волнах в гг. Горьком (ныне Нижнем Новгороде) и Люксембурге в 20-е годы нашего столетия. Мерой борьбы с перекрестной модуляцией является применение передающей антенны мощной станции с сильно прижатой к Земле диаграммой направленности.

На длинных и сверхдлинных волнах перекрестная модуляция практически не наблюдается, так как эти волны не проникают в глубь ионосферы.

6.2 Расчет напряженности поля

В дневные часы на средних волнах, как уже отмечалось, пространственная волна практически отсутствует. Поле поверхностной волны рассчитывается по методике, изложенной в разделе 1.

Расчет напряженности поля в ночное время вызывает большие трудности, так как в пункт приема в дальней зоне приходит несколько пространственных волн, испытавших различное поглощение в ионосфере. В средней зоне на поле пространственных волн кроме этого накладывается поле поверхностной волны. Поэтому на практике часто используют приближенные методы расчета, основанные на обработке экспериментальных данных, которые публикуются в виде рекомендаций МККР (рис. 6.4).

На графиках рис. 6.4 приведены квазимаксимальные значения напряженности поля, т.е. значения, превышаемые в течение 5% времени наблюдения. Среднее по времени (медианное) значение напряженности поля составляет около 0,35 от квазимаксимального. Кривые МККР построены для эквивалентной излучаемой мощности PD=1 кВт. Здесь Р – излучаемая мощность, D – коэффициент направленного действия передающей антенны. Для вычисления напряженности поля при заданной мощности передатчика и заданном коэффициенте направленности D необходимо умножить значение поля, определенное по графику на величину PD.

Pис. 6.4. Графики МККР для приближенного расчета ночной напряженности поля на средних волнах

Поскольку средние волны как поверхностные могут распространяться только на расстоянии в несколько сотен километров, этот диапазон используется в основном для местного и регионального вещания, а также в системах служебной радиосвязи.

Вопросы для самопроверки

1. Какой частотный спектр занимают гектометровые радиоволны?

2. Объяснить, какие механизмы распространения имеют место в диапазоне гектометровых волн.

3. Объяснить причину существования ближней, средней и дальней зон распространения на гектометровых волнах.

4. Что называется перекрестной модуляцией в ионосфере?

5. Какие методы существуют для расчета напряженности поля в диапазоне гектометровых волн?

назад | cодержание | вперёд