Принципы радиосвязи (стр. 2 из 2)

На высоте более 60 км воздух находится в ионизированном состоянии. Эту область называют ионосферой. Ионосфера в той или иной степени влияет на распространение радиоволн всех диапазонов, так как радиоволны вызывают в ней движение свободных зарядов. Главной причиной ионизации воздуха и образования ионосферы является излучение Солнца. Установлено, что ионизацию атмосферы могут вызвать только ультрафиолетовые лучи, имеющие длину волны меньше 0,1 мкм. Ионизация атмосферы вызывается также потоком частиц (корпускул), испускаемых Солнцем. Коротковолновые ультрафиолетовые лучи и корпускулы не достигают тропосферы, и воздух в ней практически не ионизирован. Ионизация становится заметной на высотах более 50...60 км.

Эксперименты показали, что в ионосфере имеется несколько слоев, от которых происходит отражение радиоволн, т.е. существуют несколько максимумов электронной концентрации.

На рис. 1.4 изображена типичная зависимость электронной концентрации N от высоты h для дневного времени летом, когда в ионосфере наблюдается наибольшее число слоев.

Рассмотрим особенности ионосферных слоев. Слой D образуется в области, где сравнительно велика плотность газа и рекомбинация свободных зарядов происходит быстро. Поэтому этот слой существует только днем и очень быстро исчезает после захода Солнца, когда прекращается ионизирующее воздействие. Летом критическая частота слоя D, под которой понимается наибольшая частота радиоволны, отражающейся при вертикальном падении на ионосферу, больше, чем зимой. Слой отражает мириаметровые, километровые и частично гектометровые волны, более короткие волны проходят через него, частично в нем поглощаясь.

Слой Е существует круглые сутки, но его электронная концентрация днем намного больше, чем ночью, и изменяется в соответствии с высотой Солнца над горизонтом. Слой Е днем, особенно летом, способен отражать декаметровые волны. Ночью декаметропые волны от слоя Е не отражаются. Гектометровые и более длинные волны отражаются от слоя в любое время года и суток.

Зимой выше слоя Е существует только один максимум электронной концентрации - слой F. Его концентрация достигает максимума после полудня и минимума - утром. Летом слой F расщепляется на два слоя - Ft и F2. Электронная концентрация в слое Р2 изменяется п течение суток менее сильно, чем в слое Fзимой. Слой F отражает декаметровые и иногда длинные метровые волны.

Помимо изменений состояния ионосферы, связанных с временем года и суток, существуют также регулярные изменения, обусловленные цикличностью солнечной активности. В годы максимума солнечной активности критические частоты слоя F возрастают н 2-3 раза по сравнению с годами минимума.

Распространение сантиметровых, дециметровых и метровых радиоволн.

Радиоволны длиной короче 10 м называют ультракороткими. Эти полны охватывают очень широкий диапазон частот. Ширина диапазона частот только сантиметровых волн составляет 27 000 МГц, что в тысячу раз превышает ширину диапазона частот

Другим механизмом сверхдальнего распространения УКВ является тропосферное рассеяние. Тропосферные неоднородности, вызывающие рассеяние, представляют собой области, в которых давление, влажность и температура воздуха отличаются от средних значений, наблюдаемых в окружающей среде. Примером неоднородностей являются облака. Неоднородности возникают и при отсутствии облачности за счет завихрений, образующихся при перемещении воздушных масс. Эти вихри присутствуют при любых метеорологических условиях. Наиболее интенсивно неоднородности образуются на высотах 1...2 км. Каждая неоднородность отличается своей диэлектрической проницаемостью от окружающей среды. Это отличие невелико (не более 20%), поэтому радиоволна, падающая на неоднородность, в основном, проходит сквозь нее. Однако часть энергии радиоволны при этом рассеивается в разные стороны. Зеркальное отражение неоднородность не вызывает, так как не имеет четкой границы.

Поле в точке приема образуется за счет сложения (интерференции) множества волн, рассеянных отдельными неоднородностями в некотором объеме тропосферы. Сдвиги фаз между интерферирующими волнами постоянно хаотически изменяются. В результате значение суммарной напряженности изменяется по случайному закону. Эти флуктуации поля называются интерференционными замираниями. Сдвиги фаз между интерферирующими волнами зависят от частоты. При широком спектре частот сигнала сдвиги фаз для отдельных составляющих спектра оказываются различными: одни составляющие в данный момент могут иметь максимальный уровень, другие - минимальный. Если отдельные участки спектра замирают неодновременно, замирания называют селективными. Селективные замирания не позволяют передавать по тропосферным линиям широкополосные сигналы, например, телевизионные.

Замирания сигнала при тропосферном рассеянии можно разделить на быстрые и медленные. Интерференционные замирания являются быстрыми. Период замираний составляет секунды и их десятые доли. Чем короче длина волны, тем сильнее изменяется сдвиг фаз между интерферирующими волнами при движении рассеивающих неоднородностей, тем меньше период замираний. Медленные замирания с периодом в несколько часов связаны с изменениями метеорологических условий, от которых зависят параметры неоднородностей и условия рефракции радиоволн.

Для повышения устойчивости связи на линиях тропосферного рассеяния применяют разнесенный прием. В этом случае формируют несколько сигналов, несущих одно и то же сообщение, но замирающих независимо друг от друга. Используют разнесение по частоте и пространственное разнесение. При этом увеличивают коэффициент направленного действия и площадь антенн. На тропосферных радиолиниях обычно применяют зеркальные антенны, имеющие площадь 400...900 м².

Большое ослабление поля при связи за счет тропосферного рассеяния заставляет применять радиопередатчики большой мощности - до нескольких десятков киловатт (на УКВ радиорелейных линиях прямой видимости мощность радиопередатчиков обычно не превышает 10 Вт). Расстояние между соседними станциями тропосферного рассеяния составляет 300...600 км. Применение радиолиний тропосферного рассеяния целесообразно в малонаселенных районах, где не имеет смысла часто располагать ретрансляционные станции или прокладывать кабель.

Сверхдальнее распространение метровых волн возможно и за счет влияния ионосферы. Это объясняется возникновением на высоте регулярного слоя Е спорадического слоя Es с повышенной электронной концентрацией, обусловленного сгоранием метеоров на высотах 80... 120 км. Протяженные области с повышенной электронной концентрацией, способные рассеивать метровые волны, существуют в течение долей секунды, а иногда и в течение минуты. Регулярную связь путем отражений от Es слоя организовать невозможно.

Регулярное сверхдальнее распространение метровых волн происходит за счет рассеяния на неоднородностях электронной концентрации, существующих в слое D и в нижних областях слоя Е. Механизм этого распространения подобен тому, который наблюдается при рассеянии в тропосфере. Большая высота области, в которой происходит ионосферное рассеяние, обеспечивает связь одним скачком на расстояниях до 2000 км. Регулярную связь путем отражений от Es слоя организовать невозможно.

Сверхдальнее распространение метровых волн происходит также за счет отражения от ионизированных метеорных следов. В атмосферу Земли ежегодно с космическими скоростями вторгаются десятки миллиардов метеоров, образующих ионизированные столбы воздуха - метеорные следы. Некоторые из этих следов вызывают зеркальное отражение метровых волн, другие обеспечивают их интенсивное рассеяние. Вследствие движения ионизированного газа метеорные следы обычно расплываются в течение нескольких секунд. В среднем сильное отражение радиоволн от метеорного следа длится 0,2...0,4 с и повторяется несколько раз в минуту. Из-за вращения Земли вокруг своей оси условия попадания метеоров в атмосферу зависят от времени суток. Максимальное их число наблюдается утром, минимальное - вечером.

Метеорная связь прерывиста, так как уровень сигнала, достаточный для передачи информации, существует только во время появления на трассе метеорного следа. Для передачи информации по метеорной линии связи информацию на передающем конце накапливают в промежутках между метеорными вспышками, а во время вспышки быстро передают по радиолинии. В среднем передается несколько килобит в секунду при мощности передатчика около 1 кВт. Дальность метеорной связи составляет около 2000 км. Организация связи за счет ионосферного рассеяния и отражения от метеоров целесообразна в полярных районах, где ионосферные бури часто нарушают распространение гектометровых волн, а прокладка проводных линий и организация тропосферной связи из-за малой плотности населения экономически нецелесообразны.

Особенности распространения и области применения декаметровых волн

Поверхностные (земные) радиоволны, распространяющиеся непосредственно у поверхности Земли и частично за счет дифракции огибающие выпуклость земного шара, в декаметровом диапазоне при мощности радиопередатчика в несколько десятков киловатт могут быть приняты на расстояниях не более нескольких десятков километров. Декаметровые (короткие) волны распространяются в основном в виде пространственных ионосферных волн. При отражении от слоя F2 радиоволна может перекрыть одним скачком расстояние 3500...4000 км (расстояние скачка измеряется вдоль поверхности Земли). При отражении от слоев Е и Es максимальное расстояние скачка равно 2000 км. Проводимость ионосферы на коротких волнах сравнительно мала, и поглощение радиоволн в ионосфере при правильном выборе рабочей частоты оказывается небольшим. Благодаря этому короткие волны путем многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли могут обеспечить связь между любыми точками на земном шаре без применения ретрансляторов

Вместе с тем на декаметровых волнах невозможно организовать такие же широкополосные радиоканалы, как на УКВ. Декаметровые волны применяют для звукового вещания на большие расстояния, для построения магистральных телефонных линий большой протяженности в тех случаях, когда нецелесообразна организация УКВ радиолиний, а также для связи с морскими судами и самолетами.

При радиовещании на декаметровых волнах необходимо учитывать возможность появления так называемой зоны молчания. Минимальный угол падения, при котором еще возможно отражение радиоволны от ионосферы, называется критическим. Если расстояние между передающим и приемным пунктами мало, угол падения радиоволны на ионосферу может оказаться меньше и волна уйдет в мировое пространство

Таким образом, на поверхности Земли образуется зона молчания, в пределах которой прием сигналов па данной частоте невозможен.

Список литературы

1) Мамчев Г.В. – Основы радиосвязи и телевидения. Учебное пособие для вузов. – М: Горячая линия – Телеком, 2007. – 416с.