Особенности распространения радиоволн УКВ-диапазона

Общие свойства. К диапазону ультракоротких волн (УКВ) относят радиоволны длиной от 10 м до 1 мм ( = 30 МГц З 105 МГц). В нижнем пределе частот диапазон УКВ примыкает к КВ. Эта граница определена тем, что на УКВ, как правило, не может быть удовлетворено условие отражения радиоволн от ионосферы. В верхнем пределе частот УКВ граничат с длинными инфракрасными волнами. Диапазон УКВ делится на поддиапазоны метровых, дециметровых, сантиметровых, миллиметровых волн, каждый из которых имеет свои особенности распространения, но основные положения свойственны всему диапазону УКВ. Условия распространения зависят от протяженности линии связи и специфики трассы.
Из-за малой длины УКВ плохо дифрагируют вокруг сферической поверхности Земли и крупных неровностей земной поверхности или других препятствий. Антенны стремятся расположить на значительной высоте над поверхностью Земли, так как при этом, во-первых, увеличивается расстояние прямой видимости и, во-вторых, уменьшается экранирующее влияние местных предметов, находящихся вблизи антенны. При этом, как правило, выполняется условие, при котором высота расположения антенны много больше длины волны и расчет напряженности поля можно вести по интерференционным формулам.
В диапазоне УКВ земная поверхность может рассматриваться как идеальный диэлектрик, и проводящие свойства земной поверхности следует учитывать только при распространении метровых волн над морской поверхностью. Поэтому изменение про¬водящих свойств почвы (изменение ее влажности) практически не сказывается на распространении УКВ. Но даже небольшие неровности земной поверхности существенно изменяют условия отражения УКВ от поверхности Земли.
Распространение УКВ в пределах прямой видимости. Отражение от земной поверхности. При расстояниях, много меньших предела прямой видимости, можно не учитывать влияние сферичности Земли и влияние рефракции радиоволн в тропосфере. Характерными особенностями распространения УКВ при этом являются большая устойчивость и неизменность уровня сигнала во времени при стационарных передатчике и приемнике.
При расстояниях, лежащих в пределах 0,2 < <0,8 , необходимо учитывать влияние сферичности Земли. Одновременно следует учитывать влияние рефракции, используя принцип эквивалентного радиуса Земли. При таких расстояниях на распространение УКВ влияют и метеорологические условия. С изменением коэффициента преломления тропосферы меняется кривизна траектории волны, причем для прямого и отраженного от земной поверхности лучей эти изменения могут оказаться различными. В результате изменяется разность фаз между прямым и отраженным лучами, а следовательно, меняется и уровень поля радиоволны, происходят замирания сигнала. Мешающее действие замираний усиливается с увеличением расстояния.
Радиолокационные отражения. Отражения УКВ от неровной земной поверхности имеют особое значение в радиолокационной технике. В основном они носят рассеянный характер, причем часть отраженной энергии оказывается направленной к источнику. Такие отражения чаще всего относятся к мешающим сигналам, которые затрудняют распознавание полезных радиолокационных целей. Однако отражения от земной поверхности к источнику используются при проведении наблюдений за поверхностью Земли с воздуха, например при высотометрии.
Распространение УКВ над пересеченной местностью и в городах. Обычно вдоль линии связи на УКВ имеются большие или малые неровности, которые влияют на распространение радиоволн. В общем случае учесть это влияние не представляется возможным. Для расчета напряженности электрического поля в каждом конкретном случае необходимо построить профиль трассы и в зависимости от характера этого профиля вести расчет тем или иным методом. Рассмотрим несколько примеров профилей трасс.
Трасса, проходящая над небольшими пологими холмами. На (рис.3.1,а), изображен профиль трассы, при котором передающая антенна расположена на пологом склоне холма. В этом случае к приемной антенне могут прийти прямой луч АВ и три отраженных луча , и . При расчете напряженности электрического поля следует учитывать разность фаз этих лучей, обусловленную разностью хода и раз-ными условиями отражения в точках , , и . В результате рассмотрения такой картины можно получить выражение для расчета напряженности поля, аналогичное интерференционным формулам, но более сложное. На рис 3.1,б изображен профиль, при котором имеется возвышенность в середине трассы. В простейшем случае в точку В приходит только один луч, отражающийся в точке С. Для расчета такой трассы удобно ввести понятие приведенных высот антенн h1пр и h2пр и свести задачу к известному случаю распространения радиоволн над фиктивной плоскостью, касательной к поверхности Земли в точке отражения.

Рис. 3.1. Распространение УКВ в пересеченной местности:
а – одна антенна находится на пологом склоне; б – пологая возвышенность в середине трассы

Рис. 3.2. Схема трассы с «усиливающим препятствием»
Трасса, проходящая над высоким холмом или горным кряжем. Для приближенного определения напряженности поля на трассе, имеющей высокий холм или горный кряж, можно воспользоваться теорией дифракции электромагнитных волн на непрозрачном клиновидном экране. Если препятствие не перекрывает линии прямой видимости между антеннами, то трасса называется открытой; когда препятствие поднимается выше линии прямой видимости, трасса называется закрытой.
На трассах УКВ протяженностью примерно 100-150 км, проходящих через горные кряжи высотой 1000-2000 м, наблюдается явление, называемое усиление препятствием. Это явление заключается в том, что интенсивность электромагнитного поля радиоволны при некотором удалении за препятствие оказывается больше, чем на том же расстоянии от передатчика на трассе без препятствий. Объяснить усиление препятствием можно тем, что вершина горы служит естественным пассивным ретранслятором (рис. 3.2). Поле, возбуждающее вершину горы, складывается из двух волн — прямой АС и отраженной ADC. Волны дифрагируют на острой вершине горы, как на клиновидном препятствии, и распространяются в область за гору. При этом к месту расположения приемной антенны В придут два луча СЕВ и СВ. Следовательно, на участках трассы передатчик — гора и гора — приемник распространение идет в пределах прямой видимости. При отсутствии препятствия на расстоянии 100-150 км, намного превышающих предел прямой видимости, к месту приема доходит только весьма слабое поле, обусловленное дифракцией на сферической поверхности Земли и рефракцией. Расчеты и эксперименты показывают, что такое препятствие — ретранслятор может дать усиление напряженности электрического поля на 60-80 дБ.
Использование явления усиления препятствием оказывается экономически выгодным, избавляя от, необходимости устанавливать высокогорные ретрансляционные станции.
На некоторых радиорелейных линиях, проходящих в равнинной местности, сооружают искусственное усиливающее препятствие в виде сетки или системы проводов, что дает выигрыш в мощности и позволяет уменьшить высоту антенных мачт.
Распространение УКВ в пределах большого города. Большой город можно рассматривать как сильно пересеченную местность. Многочисленные опыты показали, что в среднем напряженность поля метровых и дециметровых волн в городе меньше, чем на открытой местности, примерно в 3-5 раз. В сантиметровом диапазоне волн ослабление еще сильнее.
Внутри помещений структура поля является еще более сложной и практически не поддается расчету. Измерения напряженности поля внутри помещения показали, что в помещениях верхних этажей напряженность поля составляет 10-40% напряженности поля над крышей, а в первом этаже – 3- 7% этой величины.
Распространение УКВ на большие расстояния в условиях сверхрефракции. При расстояниях, превышающих расстояние прямой видимости, напряженность поля радиоволн резко убывает. На этих расстояниях распространение происходит вследствие дифракции радиоволн вокруг сферической поверхности Земли, рефракции радиоволн в тропосфере и рассеяния их на неоднородностях тропосферы.
Резкое увеличение дальности распространения УКВ происходит, когда область сверхрефракций занимает значительные расстояния над земной поверхностью. В этом случае радиоволна распространяется путем последовательного чередования двух явлений: рефракции в атмосфере и отражения от земной поверхности. Такой вид распространения волн получил название атмосферного волновода. Но при этом от атмосферы отражается только часть энергии волны, которая используется для приема, а остальная, преломляясь, уходит через верхнюю стенку волновода (рис. 3.3). Для атмосферного волновода определенной вы¬соты по аналогии с металлическим волново¬дом имеется некоторая критическая длина волны. Волны длиннее критической быстро затухают и не распространяются.
Высота атмосферных волноводов hв достигает несколько десятков метров, следовательно, волноводное распространение возможно только для сантиметровых и дециметровых волн.
В условиях волноводного канала только наиболее пологие лучи отражаются от стенок канала, а более крутые лучи просачиваются сквозь стенки. Если передатчик и приемник находятся в пределах волновода, то прием УКВ оказывается возможен на больших расстояниях. В противном случае дальность приема может даже уменьшиться по сравнению с условиями нормальной рефракции.
Атмосферные волноводы появляются нерегулярно и поэтому обеспечить устойчивую радиосвязь на больших расстояниях на волноводном распространении УКВ нельзя. Но это явление может служить причиной создания взаимных помех станциями, работающими в сантиметровом диапазоне волн и даже разнесенными на большие расстояния. Кроме того, появление атмосферного волновода может создавать помехи для работы радиолокационных станций..
Рассеяние УКВ на неоднородностях тропосферы. Неоднородности тропосферы представляют собой области, в которых диэлектрическая проницаемость отличается от среднего значения для окружающей тропосферы. Под действием поля проходящей волны в каждой неоднородности тропосферы наводятся токи поляризации и создается электрический момент. В результате неоднородности действуют как вторичные излучатели. Вторичное излучение совокупности неоднородностей можно характеризовать некоторой диаграммой направленности с максимумом излучения в сторону первоначального движения волны.

Рис. 3.3. Распространение УКВ в условиях атмосферного волновода

Рис. 3.4. Схема линии радиосвязи, использующей тропосферное рассеяние

Рассказать друзьям

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Добавить комментарий

Найти готовую работу