Распространение радиоволн.

Влияние земли и атмосферы на распространение радиоволн.

При осуществлении радиосвязи в земных условиях приходится учитывать влияние на распространение радиоволн двух основных факторов: влияние земли и влияние атмосферы.

Влияние земли на распространение радиоволн связано с ее формой, электрическими параметрами почвы и ее неоднородностью. Земля, имея форму, близкую к сферической, служит препятствием для радиоволн уже на сравнительно небольших расстояниях. Если, например, точки А и В находятся расстоянии 250 км.(Рисунок 1.1), то высота h выпуклости, их разделяющей будет 1 км, и волны из т. А в т. В прямолинейно распространяться не смогут. Кроме того, препятствиями являются многочисленные неровности, искусственные сооружения и растительность, поэтому при распространении радиоволн над земной поверхностью должно быть учтено явление дифракции - огибание.

Рисунок 1.1

Поскольку земля не является идеальным проводником, радиоволны, распространяясь вдоль земной поверхности, частично проникают в наружные слои. Это вызывает поглощение энергии радиоволны почвой и проводит к дополнительному ослаблению по мере удаления от антенны передатчика.

Влияние атмосферы. Земной атмосферой называется газовая оболочка Земли, принимающая участие во вращательном движении Земли.

Для выяснения влияния атмосферы на распространение радиоволн рассмотрим структуру атмосферы.

Самый нижний слой атмосферы - тропосфера, прилегает к земной поверхности и имеет толщину 10-16 км. В тропосфере сосредоточены почти 3/4 всей массы атмосферы и почти вся содержащаяся в атмосфере влага, (78% азота и 21% кислорода). В ней происходит свободное перемещение воздушных масс и процессы формирования погоды: конденсация паров воды, образование облачности, снега, дождя и т.д. Над тропосферой расположена стратосфера, простирающаяся до высоты 60-80 км. По сравнению с тропосферой, воздух в стратосфере сильно разрежен. В стратосфере мало влаги, не бывает дождей, снега, как правило отсутствуют облака. На высоте Н=80 км температура воздуха равна -70°С. Выше стратосферы находится ионосфера - слой атмосферы простирающийся до высоты 500 км. Основываясь на исследованиях, полученных при помощи геофизических ракет и ИСЗ, можно считать, что ионосфера состоит из 4-х областей ионизации разной концентрации (число свободных электронов в 1 см³), которые обозначаются буквами Д, Е, F₁, F₂ (Рисунок 1.2).

Рисунок 1.2

Слои Д и F₁ осуществляют только днем.

Электронная концентрация сильно зависит от времени суток, времени года, географических широт и интенсивности действия внешних факторов.

Суточные изменения электронной концентрации в ионосфере примерно соответствуют изменению высоты Солнца.

Сезонные изменения в состоянии ионосферы выражаются в изменении электронной концентрации и высоты ионизационных слоев.

Ознакомившись со структурой атмосферы, рассмотрим ее влияние на распространение радиоволн.

Допустим, что радиоволны, излучаемые антенной радиостанцией распространяются во все стороны. Часть энергии, распространяется вдоль поверхности земли, образует поверхностную волну.

Часть энергии, уходящая под большими углами к горизонту и попадающая в ионосферу, образует пространственную волну.

Существенное влияние на распространение пространственных волн оказывает ионосфера. С изменением высоты изменяется электронная концентрация, что приводит к отражению радиоволн и их поглощению.

Диэлектрическая проницаемость ионосферы ε<1 и тем меньше, чем меньше частота. Это значит, что поглощение и отражение радиоволн в ионосфере тем сильнее, чем больше длина радиоволны. (Рисунок 1.3)

Рисунок 1.3

Разделение радиоволн на диапазоны диктуется особенностью их распространения.

Таблица 1.1

В ионосфере поглощение больше.

Связь осуществляется как поверхностными так и пространственными лучами. Физическую картину распространения ДВ следует представить как ряд поочередных отражений от нижней границы ионосферы и от земной поверхности.

Связь до 1000 км - только поверхностными лучами, до 3000 км - поверхностными и пространственными лучами, выше 3000 км только пространственными (Рисунок 1.4).

Рисунок 1.4

Достоинства:

- напряженность поля РВ постоянна в месте приема (звук не плывет);

- большая дальность действия.

Недостатки:

- антенны очень больших размеров;

- необходимы ПРД большой мощности;

- узость частотного диапазона (300-30=270 кГц).

На СВ поглощение поверхностного луча возрастает, и связь с его помощью осуществляется только до 500 км на суше и 1000 км на море. Однако ночью за счет отсутствия слоя Д начинает появляться достаточно интенсивный отраженный от ионосферы пространственный луч, вследствие чего дальность связи увеличивается до нескольких тысяч километров. Важной особенностью СВ является то, что в дневные часы связь поддерживается в основном поверхностными лучами, а с наступлением темноты как поверхностным, так и пространственными лучами.

Недостатки:

1) замирание (уменьшение амплитуды принимаемых суммарных колебаний в результате интерференции волн, пришедших разными путями, следовательно имеющих разные фазы);

2) узость полосы частот.

На KB поглощение в земле становится столь большим, что практически связь на расстояниях свыше нескольких десятков километров поверхностным лучом становится невозможной, зато поглощение пространственного луча в ионосфере резко уменьшается. Связь возможна на огромные расстояния с помощью волн, отраженных от ионосферы. Длина одного скачка Д составляет 2000-4000 км. Основное поглощение KB испытывают в слоях Д и Е ионосферы, поэтому днем выбираются для работы наиболее короткие волны диапазона (10-30 м), а ночью 30-100м.

Достоинства:

- большая дальность;

- малые мощности ПРД.

Недостатки:

- помехи от посторонних ПРД;

- наличие мертвой зоны молчания;

- замирание (интерференционные поляризованные, вызванные влиянием магнитного поля Земли на волны, отраженные от ионосферы).

На УКВ связь в основном осуществляется поверхностным лучом, т.к. пространственный луч не отражается ионосферной из-за недостаточной электронной концентрации слоев. Поскольку дифракция радиоволн УКВ выражена очень слабо, связь осуществляется в пределах прямой видимости и зависит от высоты приемной и передающей антенн. Т.е. чем выше летит самолет, тем на большем удалении можно поддерживать с ним связь на УКВ.

, где h₁ и h₂ – высота подъема над землей передающей и приемной антенн.

Для увеличения дальности связи была разработана радиорелейная связь, которая характерна размещением вдоль трассы ряда промежуточных станций-ретрансляторов на интервалах прямой видимости между соседними станциями.

Достоинства:

- широкая полоса пропускания.

- высокая направленность антенн.

- отсутствие атмосферных помех.

Недостатки:

- ограниченная дальность действия.