Распростарнение радиоволн

ВВЕДЕНИЕ
     Как правило,термин «радиоволны» обозначает электромагнит­ные  волны, принадлежащие  тому или иному  диапазону частот,применяемому в радиотехнике. Специальным решением Международного союзаэлектросвязи (МСЭ) и Международной электротехнической комиссии  (МЭК) принято различать следующие диапа­зонырадиочастот и соответствующих длин радиоволн:
    очень низкие частоты (ОНЧ) — от 3 до 30 кГц, или мириаметровыеволны     (длина волны от 100 до 10 км);
     низкиечастоты   (НЧ) — от 30 до 300 кГц, иликилометровые волны   (длина волны от  10 до 1  км);
     средние частоты  (СЧ) — от 300 кГц до 3 МГц, или гектометровыеволны (длина   волны от 1 км до 100 м);
     высокие частоты   (ВЧ) — от 3 до 30 МГц,  или декаметровые волны (длина волны от 100 до 10 м);
     очень высокие частоты   (ОВЧ) — от 30 до 300 МГц, или мет­ровыеволны (длина   волны от 10 до 1 м);
     ультравысокие частоты (УВЧ) — от 300 МГцдо 3 ГГц, или дециметровые волны    (длина волны от 1 м до 10 см);
     сверхвысокие частоты  (СВЧ) — от 3 до 30 ГГц,    или сантимет­ровые волны (длина волны от 10до 1 см);
     крайне высокие частоты (КВЧ) — от 30 до300 ГГц, или миллиметровые волны   (длинаволны от 1 см до 1 мм).
      Радиотехника исторически развивалась снеуклонной тенденци­ей к освоению все более высокочастотных диапазонов. Этобыло связано прежде всего с необходимостью создавать высокоэффек­тивныеантенные системы, концентрирующие энергию в пределах узких телесных углов. Делов том, что антенна с узкой диаграм­мой направленности обязательно должна иметьпоперечные раз­меры, существенно превышающие рабочую длину волны. Такое условиелегко выполнить в метровом, а тем более в сантиметровом диапазоне, в то времякак остронаправленная антенна для мириаметровых волн имела бы совершеннонеприемлемые габариты.
      Вторым фактором, определяющим ценныесвойства высокочас­тотных диапазонов, служит то обстоятельство, что здесьудается реализовать большое число радиоканалов со взаимно не пересекаю­щимисяполосами частот. Это дает возможность, с одной стороны, широко использоватьпринцип частотного разделения каналов, а с другой — применять широкополосныесистемы модуляции, на­пример частотную модуляцию. При определенных условияхтакие системы модуляции способны обеспечить высокую помехоустойчи­вость работырадиоканала.
      В практике радиовещания и телевидениясложилась также не­сколько упрощенная классификация диапазонов радиоволн. Со­гласноей, мириаметровые волны называют сверхдлинными волна­ми (СДВ), километровые —длинными волнами (ДВ); гектометровые — средними волнами (СВ), декаметровые—короткими вол­нами (КВ), а все более высокочастотные колебания с длинами волнкороче 10 м относят к ультракоротким волнам (УКВ).
1. РАСПРОСТРАНЕНИЕРАДИОВОЛН В СВОБОДНОМ
    ПРОСТРАНСТВЕ
      Системапередачи информации со­стоит из трех основных частей: передающе­го устройства,приемного устройства и про­межуточного звена — соединяющей линии. Промежуточнымзвеном является среда — пространство, в котором распространяются радиоволны.При распространении радиоволн по естественным трассам, т. е. в условиях, когдасредой слу­жит земная поверхность, атмосфера, косми­ческое пространство, средаявляется тем звеном радиосистемы, которое практически не поддается управлению.
      При распространении радиоволн в сре­депроисходят изменение амплитуды поля волны, изменение ско­рости и направленияраспространения, пово­рот плоскости поляризации и искажение передаваемыхсигналов. В связи с этим, про­ектируя линии радиосвязи, необходимо:
     рассчитать   мощность пе­редающего устройства илимощность сигнала на входе приемного устройства (определить энергетическиепараметры линий);
     определить оптимальные рабочие волныпри    заданных    условиях  распространения;
     определить истинную скорость и на­правлениеприхода сигналов;
    учестьвозможные искажения передава­емого сигнала и определить меры по их устранению.
     Для решенияэтих задач необходимо знать электрические свойства земной поверх­ности иатмосферы, а также физические процессы, происходящие при распростране­ниирадиоволн.
     Земная поверхность оказывает сущест­венноевлияние на распространение радио­волн:
     в полупроводящей поверхности Землирадиоволны поглощаются;
     при падении на земную поверхность ониотражаются;
     сфе­рическая форма земной поверхностипрепятствует прямолинейному распространению радиоволн.
     Радиоволны, распространяющие­ся внепосредственной близости от поверх­ности Земли, называют  земными радиоволнами   (1 на рис.1.1).Рассматривая распространение   зем­ных   волн,  атмосферу   считают средой безпотерь с относительной диэлектрической проницаемостью ε, равной единице. Влияние атмосферы  учитывают отдельно,  внося  необходимые поправки.
      В окружающейЗемлю атмосфере раз­личают три области, оказывающие влияние на распространениерадиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областямивыражены не резко и за­висят от времени и географического места.
      Тропосферой называется приземнойслой атмосферы, простирающийся до высоты 7-18 км. В области тропосферытемпература воздуха с высотой убывает. Тропосфера неоднород­на как ввертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности. Ее электрическиепараметры меняются при изменении мете­орологических условий. В тропосфере про­исходитискривление траектории земных ра­диоволн 1, называемое рефракцией. Рас­пространениетропосферных радиоволн 2 возможно из-за рассеяния и отражения их отнеоднородностей тропосферы. Радиоволны миллиметрового и сантиметрового диа­пазоновв тропосфере поглощаются.
     Стратосфера простирается от тро­попаузыдо высот 50—60 км. Стратосфера отличается от тропосферы существенно меньшейплотностью воздуха и законом распределения температуры по высоте: до высоты30—35 км температура постоянна, а далее до высоты 60 км резко повышается. Нараспространение радиоволн стратосфера оказывает то же влияние, что итропосфера, но оно проявляется в меньшей степени из-за малой плотности воздуха.
     Ионосферой называется областьатмосферы на высоте 60—10 000 км над земной поверхностью. На этих высотахплотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т. е. имеется большое числосвободных электронов. Присутствие свободных электронов существенно влияет наэлектрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения отионосферы  радиоволн длиннее 10 м.Радиоволны, распространяю­щиеся путем отражении от ионосферы или рассеяния вней, называют ионосферными волнами 3. На условия распространенияионосферных волн свойства земной поверх­ности и тропосферы влияют мало.
     Условия распространения радиоволн 4,5 прикосмической радиосвязи обладают не­которыми специфическими особенностями, а нарадиоволны


Рис. 1.1. Пути распространения радиоволн


Рис. 1.2. Диаграммы направленности антенны по
мощности:
1– изотропного излучателя; 2 –направленной
антенны
4основное влияние ока­зывает атмосфера Земли.
     1.1. Формула идеальной радиопередачи
     Свободное пространство можно рас­сматриватькак однородную непоглощающую среду с ε =1. В действительности та­ких средне существует, однако выражения, описывающие условия распространения ра­диоволнв этом простейшем случае, являют­ся фундаментальными. Распространение ра­диоволнв более сложных случаях характе­ризуется теми же выражениями с внесением в нихмножителей, учитывающих влияние конкретных условий распространения.
     Дляпроектирования различных радио­систем необходимо определять напряжен­ностьэлектрического поля радиоволны в месте приема или мощность на входе при­емногоустройства.
     Длясвободного пространства плотность энергии П (Вт/м2) на расстоянии r(м) от точечного источника, излучающего радио­волныравномерно во всех направлениях, связана с мощностью, излучаемой этим ис­точникомРизл(Вт) следующей зависи­мостью:
     
     где П – модуль вектора Пойнтинга.

     На практике антенна излучает энергию поразным направлениям неравномерно. Для учета степени неравномерности излучениявводят коэффициент направленного дейст­вия антенны.
     Коэффициент направленного действияантенны D показывает, во сколько раз изменяется плотность мощности наданном расстоянии от излучателя при направленном излучателе по сравнению сненаправленным (изотропным) излуча­телем.
     При использовании направленного из­лучателяпроисходит пространственное пе­рераспределение мощности, в результате че­го внекоторых   направлениях    плотность          мощностиповышается, а в других снижа­ется по сравнению со случаем использованияизотропного излучателя. Применение на­правленных антенн позволяет получить в Dраз большую плотность мощности в точке приема или в Dраз снизить мощность передатчика. 
     Величина D является функцией углов на­блюдения:в горизонтальной плоскости ξи в  вертикальной q(рис 1.2). Обычно антенна создает максимальное излучение лишь в не­которомнаправлении (ξ0 θ0), для которого D приобретает максимальное значение Dмакс=D(ξ0 θ0). Зависимость величин D от углов ξи θназывают диаграммойнаправленности антенны по мощно­сти, а отношение F2(ξ,θ)= D(ξ θ)/Dмакс
— нормированной диаграммой направленности по мощности (рис.1.2).
      Плотность   мощности  на   расстоянии   rотнаправленной излучающей антенны

      Амплитуда напряженности электрическогополя радиоволны в свободном пространстве связана с плотностью энергии этойволны (через сопротивление свободного пространства Z0)
E2mcв=2Z0П = 240pП,
откудаопределяется амплитудное значение напряженности электрического  поля  в свободном пространстве Еmcв(В/м) на задан­ном расстоянии r(м) от излучателя:      
                                                               (1.1)
     Мощность на входе приемника, согла­сованногос антенной, находящейся на   рас­стоянии rот излучателя,
                                                         (1.2)
где 
      —  эффективная площадь приемной антен­ны, характеризующаяплощадь фронта волны, из которой антенна извлекает энергию.
     Мощность Рпр.свудобноопределять не­посредственно через мощность Pизли вели­чину Dизлизлучающейантенны:
                          (1.3)         
Это выражение называется формулой идеальнойрадиопередачи.
     Ослабление мощности при распростра­нениирадиоволн в свободномпространстве, определяемое как отношение Рпр.св/Pизл, называют  потерями передачи   в свободном пространстве. Приненаправлен­ныхпередающей и приемной антеннах это отношение  B0(дБ)   рассчитывают по  формуле:
                            ,        (1.4)
где  Р — мощность, Вт;  r—расстояние, км; ƒ— частота, МГц.
     Применение направленных антеннэквивалентно увеличению излучаемой мощности в  раз.
        
     Напомним, что поляризация радиоволнопределяется ориентировкой     векторанапряженности электрического поля    радиовол­ны впространстве, причем направление век­тора  определяет   направление  поляризации [2].В зависимости от изменения направления вектора    поляри­зацияможет быть линейной, круговой и эллиптической. Видполяризации радиоволн в свободном про­странстве определяется типом излучателя(антенны). Например, антенна-вибратор излучает в сво­бодном пространствелинейно поляризован­ную волну.
     Для получения    волн   с   круговой    поляризацией достаточно   иметь  в   качестве   передающей антенны  два  линейных  вибратора,  смещен­ных в пространстве на 90° одинотноситель­но другого и питать их токами равной амп­литуды со сдвигом по фазена 90°. Радио­волны   с   круговой  поляризацией   излучают, например,спиральная и турникетная антен­ны. Подобный вид   поляризации  находит широкое применение в телевидении и радио­локации.
     Эллиптически поляризованная волна можетбыть создана, например, с по­мощью антенн, в виде двух скрещенных вибраторов,плечи которых питают токами с разной амплитудой.
     Для эффективного приема характер по­ляризацииполя принимаемой волны и поля­ризационные   свойства   приемной   антенны должны совпадать. Формулы (1.2) и(1.3) справедливы в случае совпадения характера и направления поляризацииэлектрического поля и приемной антенны. Если совпадение отсутствует, мощность вприемной антенне уменьшается и в указанные формулы вво­дят поправки. Например,для наиболее эффективного приема волны с ли­нейной поляризацией вибраторприемной антенны должен быть ориентирован парал­лельно вектору . Если направление векто­ра  перпендикулярно оси приемного вибра­тора, то приема не будет.
1.2.Область пространства, существенная при распространении                     радиоволн. Метод зон Френеля
      На формирование поля вблизи прием­нойантенны В (рис. 1.3, а) различные области свободного пространства, через котороепроходят радиоволны от излучателя A, влияют в разной степени. Излучатель создаетсферическую волну, каждый элемент фронта которой вновь является источникомсферической волны. Новая волновая поверх­ность находится как огибающаявторичных сферических волн. Поле на некотором расстоянии от излучателя определяется суммар­ным действием вторичныхисточников. Ос­новной вклад в эту сумму дают источники,
расположенные  вблизи  прямой А В.  Действие вторичных смежныхизлучателей, рас­положенных на значительном расстоянии от этой прямой, взаимнокомпенсируется.
     Областью, существенной при распро­странениирадиоволн, называют часть про­странства, в котором распространяетсяосновная доля энергии. Неоднородности сре­ды (например, препятствия на пути волны) влияют на характеристики поля вточке приема, если они охвачены областью, суще­ственной при распространении.Эта область имеет конфигурацию эллипсоида вращения с фокусами в точках А и В(рис.1.3, б). Радиус поперечного сечения эллипсоида  нарасстоянии  от точки Aи расстоянии r0от точки Bопределяется равенством:                           
rn+rn=r0+r0+n(l/2)
и может быть вычислен изуравнения                                                                                                                                                                                                         
где -целоечисло.
     Кольцевую область, построенную наплоскости S, перпендикулярной линии АВ, с радиусами Rnназывают зоной Френеля  номера  n          (рис. 1.3, в).
     Если  на   пути   распространения   волны помещен экран с круглымотверстием  (пло­скость экранаперпендикулярна линии АВ), то  при  изменении радиуса  отверстия   (или перемещении экрана  вдоль трассы)   напря­женность поля в точке В будетпериодиче­ски  изменяться   (рис.1.4).


Рис. 1.3. К определению зон Френеля
а– формированиеволнового фронта; б – к определению
размеров зон Френеля и конфигурация 1-й зоны вдольтрассы;
в -проекция зон Френеля на плоскость, перпендикулярную кнаправлению трассы


Рис. 1.4. Изменение напряженности поля за
экраном с круглым отверстием при
изменении радиуса отверстия R
(
Напряженностьполя будет максимальной, когда радиус отверстия в экране равен радиусу первойзо­ны Френеля и радиусам зон Френеля со сле­дующими  нечетными номерами.  При  боль­шом  размере   отверстия  (больше  радиуса шестой зоны   Френеля)   амплитуда  напряженности поля стремится к Emсв(рис.1.4), поэтому радиус поперечного сечения области, существенной при распространении, счи­тают равным радиусу зоныФренеля с номе­рами  6—10.  Однако для ориентировочных
расчетов часто размер существенной обла­сти можно принять равным радиусу первойзоны Френеля.
 
   1.3. Вопросы для самопроверки
1. Какие существуют классификациидиапазонов радиоволн? Приведите эти классификации.
2. Почему существует тенденцияк освоению всё более высокочастотных диапазонов радиоволн?
3. Какова последовательность проектирования линийрадиосвязи?
4. Какие факторы оказывают влияние на виды путейраспространения радиоволн?
5. Запишите формулу идеальной радиопередачи. Пояснитеее.
6. Какие существуют виды поляризации радиоволн?
7. Почему для эффективного приёма необходимо учитыватьхарактер поляризации принимаемой волны и поляризационные свойства приемнойантенны?
8. Какая часть пространства называется областью,существенной при распространении радиоволн?
9. С какой целью вводится понятие зон Френеля?
10. Изобразите и поясните график зависимости величинынапряженности поля за непрозрачным экраном от радиуса отверстия в этом экране.
2.  ВЛИЯНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА   РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
2.1.Поглощение радиоволн различными видами земной поверхности
     Конечные пункты радиолиний в боль­шинствеслучаев расположены в непосред­ственной  близости   от поверхности   Земли. Присутствие  полупроводящей   поверхности Земли  вызывает поглощение  и  отражение радиоволн,  иногда с изменением  поляриза­ции волны.  Количественно эти явления за­висят отэлектрических параметров земной поверхности: диэлектрической проницаемо­сти εи проводимости  (табл.2.1). Величи­ны εи  определяются экспериментально по  поглощению радиоволн земной поверх­ностью иотражению от нее и зависят от структуры земной поверхности, ее влажно­сти,  слоистости, температуры,  а также от рабочей частоты.
     Из табл.2.1 видно, что с повышениемчастоты (уменьшением длины волны) ε морскойи пресной воды убывает. Это убывание εвызвано тем, что молекулы воды полярны и при повышении частоты не успе­ваюториентироваться в направлении элек­трического поля.
     Почва является сложным диэлектриком,состоящим из твердого компонента — сухо­го грунта и жидкого компонента —водного раствора солей. Величины εи  жидкого компонента существенно больше, чемтвер­дого компонента, и электрические парамет­ры почвы определяются в основномсвойст­вами жидкого компонента.
     Условия распространения  радиоволн в среде характеризуются тангенсомугла потерь  в среде, численно  равным отно­шению   плотностей   токов  проводимости и смещения [1]

Если , то в среде преоблада­ет токсмещения и она по своим свойствам приближается к диэлектрику. Если же  , то в среде преобладает токпро­водимости и ее свойства приближаются к свойствам проводника. Равенствоплотно­стей токов проводимости и токов смещения наступает при определеннойграничной дли­не волны lгр. Так, для морской воды
.
     Поэтому для радиоволн сантиметрово­годиапазона морская вода может рассмат­риваться как диэлектрик. Для влажной почвы
.
                                                                                                    
                Таблица 2.1
Значениядиэлектрической  проницаемости  и проводимости для  наиболее типичных  видов земной  поверхности
Вид земной поверхности или покрова
Длина волны, м
ε
   , См/м
Морская вода (t= 200 С)
>1,0
   0,1
     0,03
       0,003
78
70
40
10
5,0
5,0
20,0
5,0
Пресная вода рек, озер
 (t= 20° С)
>1,0
   0,1
     0,03
       0,003
90
80
40
10
210-2
5
20
5
Влажная почва (t= 20° С)
>1,0
  0,1
    0,03
15-30
15-30
10-15

Сухая почва (t= 20° С)
>1,0
  0,1
    0,03
3-6
3-6
2-5

Лед (t= -10° С)
>1,0
  0,1
   0,03
4-5
3,5
3,2

Снег (t= -10° С)
>1,0
   0,1
     0,03
1,2
1,2
1,2
10-6
10-5
10-5
Мерзлая почва
(t = -35° С)
>1,0
  0,1
    0,03
3—7
—
—
10-3—10-2
—
—
Лес
>10
0,1—5
1,004
       1,04—1,4
10-6  —   10-5
  10-5   —   10-3
Продолжение табл. 2.1
     Влажнаяпочва для метровых и более коротких волн может рассматриваться как диэлектрик.Следовательно, для волн сантиметрового диапазона все виды земной по­верхностиимеют свойства, близкие к свой­ствам идеального диэлектрика.
     Прираспространении радиоволн в полупроводящей среде амплитуда поля убы­вает срасстоянием по экспоненциальному закону, а фаза меняется линейно. Мгновен­ноезначение напряженности поля волны, распространяющейся в полупроводящей сре­де внаправлении одной из координатных осей, записывется [2]
                                                                                      (2.1)
гдеЕmсвопределяется из (1.1).
     Величина α характеризует потери энер­гиив среде и называется коэффициен­том затухания. Физически потери обусловлены  переходом энергии   электромагнитных волн в тепловую энергиюдвижения молекул.  Величина b(коэффициент фазы) характеризует изменение фазы волны. Эти величины можно записать вследую­щем виде [2]:
                                                                                      (2.2)
                                                                                                    (2.3)
     Скорость перемещения заданной фазы внаправлении распространения волны nф, называемая  фазовой  скоростью, связана с величиной β:
                                                   (2.4)
Отношение
.                                                             (2.5)
называется  показателем  преломления среды.
     Длина волны в среде

При 
      
При
        
     Поглощение радиоволн в среде оцени­ваетсяинтегральным коэффициентом Г и выражается в  децибелах:
      
     Погонное поглощение выражается в де­цибелахна метр:


   
Расстояния, на которых происходит ослабление Еm  в 106 раз  (на 120 дБ) при распространении радиоволн вовлажной почве и морской воде, приведены в табл.2.2.
                                                                                               
     Таблица 2.2
     Расстояния, на которых происходитослабление

ƒ,  МГц