Антенно-фидерные устройства. АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА РТ. Антеннофидерные устройства
 Скачать 7.65 Mb.
|
|
1.2. Распространение радиоволн в земных условиях. Атмосфера Земли Значительную роль при распространении электромагнитных волн играет земная атмосфера. Эта газовая оболочка Земли достигает высоты 2000—3000 км и состоит главным образом из азота, кислорода и водяного пара. Атмосферу разделяют натри основных слоя тропосферу, стратосферу и ионосферу (рис. 10). Рисунок 10. Расслоение атмосферы и изменение температуры в ее нижней части. 21 Тропосфера Тропосфера простирается от поверхности Земли примерно до высоты 11 км и содержит приблизительно 75% всей воздушной массы. Ее называют также метеосферой, так как именно в ней происходят метеорологические процессы, определяющие погоду. Температура тропосферы, как правило, падает с увеличением высоты примерно на 6—8 градусов на каждые 1000 метров подъема. На своей верхней границе, в так называемой тропопаузе, она достигает минимума около С. Высота тропопаузы может меняться. На наших широтах в марте она находится в своей нижней точке (в среднем на высоте 9,7 км, а в июле — в верхней точке (11,1 км. Состояние тропосферы имеет особое значение для распространения метровых волн. Стратосфера На высоте 11—80 км расположена стратосфера — слой, характеризующийся полным отсутствием водяных паров. Температура воздуха здесь остается почти неизменнёй примерно до 20 км (зона постоянной температуры. Дальше она непрерывно повышается и на расстоянии 50 км от поверхности Земли достигает приблизительно +50 С. Эту область роста температуры называют также озоновым слоем, поскольку там довольно большая концентрация озона. Озоновый слой важен для развития и поддержания жизни на Земле он поглощает значительную часть ультрафиолетового излучения Солнца, губительного для растений, бактерий и животных организмов. Выше 50 км температура вновь снижается, а на высоте 80 км — при переходе к ионосфере — опять начинает расти. Ионосфера На расстоянии более 80 км от земной поверхности располагается ионосфера, которая простирается до высоты 450—800 км и постепенно переходит в космическое пространство (эту переходную область называют экзосферой). Ионосфера изобилует электрически заряженными частицами — ионами и электронами, возникающими вследствие распада (ионизации) нейтральных молекул воздуха. Ионизация в первую очередь вызывается ультрафиолетовыми рентгеновским излучениями Солнца. Космические лучи и потоки метеоритов, которые беспрерывно сгорают в атмосфере Земли 22 десятки миллиардов метеоритных частиц в сутки, также участвуют в ионизации. Излучение в верхних слоях атмосферы обладает большой энергией и может выбивать электроны из атомных структур газов. Атом, лишенный одного электрона, образует с оставшимися электронами положительно заряженный ион. Свободный электрон устремляется к нейтральному атому и образует отрицательно заряженный нон или объединяется с положительным ионом, превращая его в нейтральный атом. Такой процесс новообразования атомов называется рекомбинацией Количество свободных электронов в единице объема (концентрация) зависит от интенсивности облучения. Благодаря присутствию электрически заряженных частиц — ионов — верхняя зона атмосферы становится электрическим проводником, который отражает электромагнитные волны определенной частоты. При более подробном рассмотрении оказывается, что этот процесс нельзя называть отражением, так как электромагнитные волны в ионосфере отклоняются не сразу, а постепенно, в соответствии с постоянно меняющейся по высоте концентрацией ионов и изменением связанной с этим диэлектрической постоянной. Поэтому нужно говорить скорее о рефракции преломлении) радиоволн. На высоте около 70—90 км в дневное время образуется так называемый слой Е, отсутствующий ночью. В следующем за ним слое Е слой Кеннелли-Хевисайда) наблюдается большая концентрация электронов на в примерно 90—125 км. Выше лежит слой F (Эпплтон-слой), который летом в дневное время разделяется на слои F 1 и F 2 . Достаточная (для обеспечения отражающих свойств) ионизация в слое F 1 возникает на высоте около 200 км, а в слое F 2 200-400 км. Ионизация растет от слоя к слою и достигает своего максимума в слоена высоте приблизительно 400 км. За слоем F 2 ионизация уменьшается и наконец совершенно исчезает. Последние исследования показали, что говорить о структуре ионосферы как о системе слоев неверно, поскольку между областями с различной концентрацией электронов наблюдаются постепенные переходы. Но поскольку гипотеза о слоистой структуре уже превратилась в устоявшуюся теорию, допустимо пользоваться ею и дальше. Показанное на рис строение ионосферы нельзя рассматривать в виде застывшей системы расположенных друг над другом слоев. Степень ионизации постоянно меняется и зависит от сезона, времени суток, цикличного изменения солнечной активности, географической широты и других факторов. 23 Рисунок 11. Слои ионосферы. Поверхностная и пространственная волны Если передатчики приемник находятся на земле, то радиоволны могут распространяться двумя путями (рис. 12): • в тропосфере вдоль земной поверхности как поверхностные или земные волны • через отражение в ионосфере как пространственные волны. Рисунок 12. Пути распространения поверхностной и пространственной электромагнитных волн. Распространение поверхностной волны Поверхностная волна следует кривизне поверхности Земли и при этом поглощается поверхностью, над которой она распространяется. Поглощение 24 волны усиливается с увеличением частоты сигнала, поэтому очень низкие частоты (например, длинные волны) имеют большой радиус действия поверхностных волн. На распространение поверхностной волны существенно влияет электропроводность почвы и структура земной поверхности застройка, растительность и т.д.); дальность зависит также от мощности излучения. Поверхностные волны коротковолнового диапазона имеют небольшую дальность действия. При мощности, характерной для любительского передатчика, в диапазоне 80 м можно рассчитывать на радиус действия поверхностной волны до 100 км при той же мощности передатчика в диапазоне 10 м ее дальность падает до 15 км. Для увеличения дальности поверхностных волн антенны должны иметь вертикальную поляризацию. Большие расстояния в метровом диапазоне могут быть преодолены путем искривления, отражения и рассеивания радиоволн в тропосфере. Распространение пространственной волны Распространение коротких волн на большие расстояния происходит благодаря отражению пространственных волн в ионосфере. Скорость распространения фронта волны в ионосфере (фазовая скорость) v 1 несколько больше той же скорости в тропосфере и зависит от концентрации электронов N (см) и рабочей частоты f. Из соотношения 2 где k i — постоянный коэффициент, с — скорость света, следует, что рост концентрации электронов приданной частоте увеличивает фазовую скорость. Если же волновой фронт входит в ионосферу под углом, то лежащие выше более быстрые части фронта обгонят нижние. Вследствие такой разницы фазовых скоростей фронт волны отклоняется и при достаточной концентрации электронов может быть отражен в направлении Земли. Существует следующая взаимосвязь для отражения коротких волн в ионосфере концентрация электронов должна быть тем больше, чем выше рабочая частота. Пространственная волна отклоняется к Земле тем легче, чем меньше угол излучения антенны, то есть чем более полого волна входят в ионосферу. 25 Эту закономерность распространения пространственных волн коротковолнового диапазона хорошо иллюстрирует рис. 13. Рисунок 13. Влияние угла излучения на отклонение волны в ионосфере. Волна 1, которую передающая антенна излучает под малым углом θ, относительно полого входит в ионосферу под углом φ и отклоняется в ней таким образом, что достигает земной поверхности лишь на значительном удалении малый угол излучения θ соответствует скачку большой протяженности. Этот скачок будет тем длиннее, чем выше расположен отражающий слой. В самой высокой области ионосферы — слое F 2 — максимальное расстояние превосходит 4000 км, в слое Е оно составляет не более 2000 км. Отсюда понятно, насколько важен для дальнего распространения коротких волн угол излучения антенны θ (его называют также вертикальным углом возвышения его нужно выбирать как можно меньшим. На рис. 14 схематически изображены некоторые типичные пути распространения волн благодаря отражениям в слоях Е и F. Между пунктами излучения волны и ее новой встречи с земной поверхностью находится мертвая зона приема (см. рис. 13). При ближайшем рассмотрении оказывается, что радиоволна распространяется от области затухания поверхностной волны до точки, где отраженная пространственная волна снова достигает Земли. Если же пренебречь довольно малой дальностью поверхностной волны в коротковолновом диапазоне, то протяженность мертвой зоны можно считать совпадающей с минимальной дистанцией скачка волны. Волна снова отразится от земной поверхности в направлении ионосферы и при достаточной концентрации ионов в ионосфере будет вторично отражена. Как правило, данный процесс многократно повторяется, и случается даже, что волна несколько раз огибает земной шар. В целом механизм многократных скачков волны очень сложен, так как состояние ионосферы изменяется от точки к точке. При этом иногда волна, 26 уже отраженная от слоя Е, вновь отражается слоем F 2 или скачет между ними. Рисунок 14. Схематическое изображение некоторых ионосферных отражений радиоволн. У волны 2 угол излучения θ больше, она несколько глубже проникает в отражающий слой, и протяженность ее скачка значительно меньше. Третья волна излучается уже довольно круто. Она должна дойти почти до области максимальной ионизации, чтобы быть отраженной, и нуждается в двух скачках (тогда она сможет преодолеть такое же расстояние, как первая волна. Особый случай — это волна 4. Она достигает нижней кромки зоны максимальной концентрации электронов и успевает пробежать вдоль нее большую дистанцию до момента, когда каким-либо возмущением в этом слое не отразится снова к Земле. Такую волну называют скользящей или «супермоде». Почти отвесно излученные волны 5 и 6 будут лишь незначительно отклоняться слоями ионосферы, поэтому они пробьют зону максимальной ионизации и уже не вернутся к Земле. Если же допустить, что в описываемой ситуации речь идет о слое Е, то возможно, что эти волны будут отражены лежащим выше слоем F. Волны 1—4 в этом случае окажутся покрытыми слоем Е вместо слоя F. Такое покрытие играет негативную роль при распространении коротких волн на дальние дистанции. Угол излучения пятой волны обозначается как критический угол Это означает, что посланная под таким углом волна будет первой, которая пройдет сквозь весь ионизированный слой. В табл. 1.3 указаны дистанции скачка волны, отраженной в слоях Е и соответственно, в зависимости от вертикального угла излучения θ. При этом высота отражения от слоя Е принята равной 105 км, а от слоя F 2 — 320 км. 27 Таблица 1.3. Дистанции скачка волны. Критическая частота и максимально применимая частота Критической частотой f c называют наибольшую частоту, при которой излучение, проникающее в ионосферу под прямым углом, еще отражается отданного слоя. Радиолокация позволяет определять f c и оценивать высоту отражающего слоя по задержке измеряемого отраженного сигнала. В результате находят кажущуюся высоту. На самом деле нижняя граница отражающего слоя залегает несколько глубже кажущейся высоты, поскольку при измерении запаздывания не учитывается небольшая разница скоростей электромагнитной волны в пределах и вне ионизированного слоя. Критическая частота пропорциональна квадратному корню из концентрации электронов N; она имеет смысл применительно к углу излучения θ=90º, когда луч возвращается в точку испускания. При меньшем значении угла появляются скачки или мертвые зоны, и с убыванием угла растет частота отражаемого излучения. Такая частота называется максимальной применимой (МПЧ) и связана с критической частотой законом секанса МПЧ = f c *sесφ Поскольку sесφ=1/соsφ и sесφ=sinθ (без учета кривизны земной поверхности, получаем МПЧ = f c *1/ со sinθ Выражения 1/ сои называют коэффициентом МПЧ. 28 На рис. 15 представлен рост коэффициента МПЧ m с уменьшением угла излучения θ. Максимальная применимая частота, при которой электромагнитная волна проходит через заданные конечные точки исключительно вследствие преломления в ионосфере, называется классической. Стандартная МПЧ — это некое приближение к классической, получаемое путем пересчета из критической частоты. На рис. 15 показана упрощенная зависимость между критической частотой f c и верхней частотной границей МПЧ, выраженной через коэффициент МПЧ от угла излучения θ. Рисунок 15. Пример При θ = 30º получаем m = 2 (выделено пунктиром. Пусть f c = З МГц, тогда верхняя граница частоты составит МПЧ=f МГц. Вследствие кривизны земной поверхности, учитываемой при расчетах путем модификации закона секанса, величина m при О может принимать лишь максимальные значения — примерно 5,6 и З для слоев Е и F 2 соответственно. Затухание пространственных волн Падающая электромагнитная волна вызывает в ионосфере согласованные колебания свободных электронов и ионов. Они сталкиваются с ближайшими молекулами газа, ив результате часть энергии колебаний переходит в тепло. Это приводит к затуханию волн, растущему пропорционально квадрату длины волны. Затухание, или поглощение, волн увеличивается с повышением концентрации носителей заряда чем больше электронов, ионов и молекул газа приходится на единицу объема, тем вероятнее столкновения, связанные с преобразованием энергии. Отсюда, в частности, следует, что поглощение должно быть тем значительнее, чем больший обратный путь в ионосфере проходит отраженная электромагнитная волна. Косвенной мерой затухания в ионосфере служит наименьшая применимая частота (НПЧ), или частота затухания. Она характеризует самую низкую частоту в КВ диапазоне, которую еще можно использовать 29 для связи на пространственных волнах. Таким образом, диапазон применимых частот ограничен МПЧ сверху и НПЧ снизу. 1.3. Распространение гектометровых, километровых и мириаметровых волн. Распространение сверхдлинных и длинных волн. Механизмы распространения сверхдлинных (СДВ) (10000...100000 ми длинных (ДВ) воли (1000...10000 м) мало отличаются один от другого, что позволяет рассматривать их совместно. Расчет электрического поля земной волны На больших расстояниях от передатчика (в среднем до 1000 км) поле вместе приема создается за счет дифракционного огибания выпуклой поверхности Земли. На этих расстояниях длинные и сверхдлинные волны распространяются как земные, и поле может быть рассчитано потрем верхним кривым графиков Международного Консультативного Комитета по Радиосвязи (МККР), воспроизведенным на рис. 16 в случае распространения над морем (ε=80, п сим/м) и на рис. 17 в случае распространения над сухой почвой (ε=4, п = 10 -3 сим/м). Графики составлены для излученной мощности 1 кВт и коэффициента направленности передающей антенны п 1,5. Такой направленностью обладает заземленная вертикальная антенна, высота которой много меньше длины волны. Обозначим через Е напряженность поля при излучаемой мощности кВт, определяемую из графиков. Тогда если в действительности излучается другая мощность Р изл (кВт, тополе вместе приема вычисляется в микровольтах на метр (мкВ/м) по формуле На больших расстояниях радиоволны рассматриваемых диапазонов распространяются как ионосферные в своеобразном сферическом волноводе, внутренняя стенка которого образуется поверхностью Земли, а внешняя — нижней границей слоя D в дневные часы и нижней границей слоя Е ионосферы в ночные часы (рис. 19). Дело в том, что на частотах рассматриваемых диапазонов оба слоя D и Е обладают свойствами полупроводящих сред, от которых очень хорошо отражаются как длинные, таки сверхдлинные волны. 30 Рисунок 16. Рисунок 17. Рисунок 18. 31 Особенности волноводного распространения волн. Как бы обволакивая земной шар, ДВ и СДВ могут достигнуть антипода, те. точки С, противоположной А (рис 18). Земная кора и ионосфера, направляя (канализируя) энергию волны, в тоже время в силу своих неметаллических свойств обусловливают потери ее энергии. Моды – типы волн. Направляющее действие сферического волновода позволяет наблюдать эффект, при котором волны, огибающие земной шар по различным направлениям, начинают сходиться (рис. 14), что приводит к компенсации ослабления поля за счет потерь в земле ив ионосфере. Этим объясняется особенность ДВ и СДВ распространяться на большие расстояния, испытывая при этом относительно небольшое поглощение. Вследствие того, что слои D и Е, от которых отражаются ДВ и СДВ, относятся к стабильным образованиям ионосферы, распространение волн рассматриваемых диапазонов характеризуется высоким постоянством. Это значит, в определенный час суток в каждой точке на заданной трассе сила сигналов будет изо дня вдень принимать одно и тоже значение, и суточный ход напряженности поляна этой трассе не будет претерпевать заметных изменений (рис. 19). Расчет электрического поля пространственной волны В первом грубом приближении поле пространственной волны вместе приема может быть рассчитано по полуэмпирической формуле Остина где угол из центра Земли до точки прием (В, определяемый по правилу рис. 14. Влияние геофизических условий на распространение волн. Суточный ход Е обусловленный вариациями состояния слоев D и Е ионосферы, выражен в рассматриваемых диапазонах волн достаточно четко и проявляется в том, что с наступлением на трассе темноты сила поля возрастает. Зависимость уровня поля от времени суток выражена тем сильнее, чем короче длина волны. Это ясно из рассмотрения рис. 19, на котором представлен экспериментальный суточный ход напряженности поляна трассе протяженностью 5000 м. Причина влияния времени суток на абсолютное значение напряженности поля обусловлена также большими потерями при отражении от полупроводящей области D по сравнению с потерями при отражении от области Е. 32 Рисунок 19. Самый нижний слой D ионосферы появляется только в дневное время и характеризуется электронной плотностью до 10 3 электронов/см 3 Электронная плотность слоя Е составляет 5 электронов/см 3 днем и 5*10 3 электронов/см 3 ночью. Для этого слоя характерно устойчиво- закономерное изменение его свойство в течение суток и времени года. Из рис. 19 следует, что в диапазонах ДВ и СДВ замирания являются в основном неглубокими и имеют квазипериод в десятки минут (в среднем. Объясняются эти замирания тем, что вместе изменения высоты отражающего слоя вовремя восхода Солнца (рис. 20) происходит преобразование второй моды в первую, сопровождающееся сильными интерференционными явлениями. Рисунок 20. 33 Годовой ход напряженности поля в диапазоне длинных волн выражен очень слабо и проявляется в том, что в часы освещенности на трассе напряженность поля в летние месяцы возрастает на 20.. .50% по сравнению с напряженностью поля в зимние месяцы. В тоже время в ночные часы летних месяцев поле оказывается слабее, чем в ночные часы зимних месяцев. Влияние летнего периода солнечной активности на процессы распространения длинных волн незначительно и проявляется в некотором увеличении напряженности поля в дневные часы по мере увеличения солнечной активности. Исключительное постоянство условий распространения ДВ, СДВ четко выраженная зависимость амплитуды и фазы принимаемого сигнала от времени суток) и сравнительно небольшое поглощение, испытываемое волнами этих диапазонов, позволяют уверенно принимать сигналы мощных длинноволновых передатчиков в любой точке земного шара. Это особенно важно для находящихся в плавании судов, которые могут принимать сигналы точного времени, предупреждения мореплавателями другие важные информационные сообщения. Особенности распространения средних волн Для отражения средних волн (СВ) от ионосферы достаточна меньшая электронная концентрация, чем для отражения КВ. Средние волны при распространении испытывают в ионосфере значительно большее поглощение, чем короткие (велика п. Вследствие этого днем, даже при значительных мощностях передатчиков (несколько сотен киловатт, напряженность поля пространственной волны на СВ оказывается ниже уровня помех, те. прием пространственной волны практически невозможен. Таким образом, днем на средних волнах оказывается возможным вести передачу только поверхностной волной. При этом передатчик мощностью в сотни киловатт поверхностной волной, может обеспечить передачу на расстояниях 300...400 км при использовании передающих антенн на мачтах высотой 150...200 м. Поле поверхностной волны рассчитывают по кривым рис. 16 и 17. для расчета напряженности поля поверхностной волны в любом случае необходимо знать проводимость почвы. Характер рельефа местности также влияет на поглощение поверхностных волн. Эквивалентной проводимостью почвы называется такая проводимость идеально гладкой поверхности, при которой получается такое же поглощение поверхностных волн, что ив реальном случае. Была составлена карта эквивалентных проводимостей почв для всей территории страны. Ночью поглощение СВ в ионосфере резко уменьшается, так как исчезает слой D. В ночное время пространственная волна обнаруживается на больших расстояниях от передатчика (до нескольких тысяч километров. 34 Расчет поля пространственной волны на средних волнах затруднен тем, что в точку приема приходит несколько волн, испытавших различное поглощение в ионосфере. На практике для приближенного расчета напряженности ночного поляна СВ можно использовать приведенные на рис. 21 кривые квазимаксимальных значений напряженности, те. значений, превышаемых в среднем в течение 5% времени наблюдения (графики МККР). Среднее за время наблюдения значение поля, превышаемое в 50% случаев, составляет около 0,35 квазимаксимального. Кривые МККР построены для эффективной излучаемой мощности Р эф =1 кВт. для вычисления напряженности поля при заданной мощности передатчика Р изл и при коэффициенте направленности антенны а необходимо умножить значение поля, определенное по графику, на величину a изл D Р * (мощность — в киловаттах. Сезонные изменения практически не сказываются на напряженности поля средних волн, так как ночная ионизация слоя мало зависит от времени года. Незначительно и влияние летнего цикла солнечной активности. Распространение средних волн почти не подвержено влиянию ионосферных возмущений. Рисунок 21. Рисунок 22. Для излучения поверхностных волн в средневолновом диапазоне применяют антенны с вертикальной поляризацией в виде вертикальных 35 вибраторов. Диаграмма направленности таких антенн подобна диаграмме элементарного электрического вибратора. В направлениях, близких коси, антенна практически не излучает. Вследствие этого поле пространственной волны на средних волнах может иметь существенное значение, только начиная с расстояний в несколько сотен километров (рис. 22). Вблизи передатчика поле пространственной волны практически отсутствует. В этой области прием поверхностной волны при достаточной мощности излучения происходит уверенно, без замираний, в любое время суток. Эта область называется областью уверенного приема. На достаточно больших расстояниях от передатчика, где поля поверхностной и пространственной волн соизмеримы, ночью наблюдаются замирания сигнала, возникающие вследствие интерференции поверхностной и пространственной волн. Зона, где наблюдаются замирания, называется зоной ближних замираний. Период замираний на средних волнах относительно велик (порядка минут. Это объясняется тем, что для перехода уровня поля от максимума к минимуму на средних волнах необходимо изменение разности хода лучей Δr на сотни, а не на десятки метров, как на коротких волнах. Такие большие изменения действующей высоты отражения в ионосфере происходят за сравнительно большое время. На больших расстояниях от передатчика, где практически не обнаруживаются поверхностные волны, прием возможен только ночью за счет пространственных волн. В этой зоне также наблюдаются замирания вследствие интерференции лучей, прошедших трассу за счет различного числа скачков. Специфической особенностью пространственного распространения средних волн является воздействие нелинейных эффектов, возникающих в ионосфере. Практически необходимо учитывать только нелинейный эффект, заключающийся в перекрестной модуляции радиоволн в ионосфере. Перекрестная амплитудная модуляция возникает в том случае, когда две амплитудно-модулированные волны разной частоты распространяются водной и той же области ионосферы и поле хотя бы одной из волн имеет большую напряженность. При этом более мощное поле изменяет поглощение в ионосфере в такт с модуляцией при большей амплитуде поглощение увеличивается, при меньшей—уменьшается. Это изменяет поглощение в ионосфере другой волны, дополнительно модулируя ее амплитуду. В результате возникает паразитная амплитудная модуляция, от которой невозможно избавиться при приеме. На длинных и сверхдлинных волнах нелинейные эффекты практически не наблюдаются, потому что эти волны не проникают вглубь ионосферы. Борьба с перекрестной модуляцией заключается в правильном размещении средневолновых станций ив разумном выборе их мощностей. |