Антенно-фидерные устройства. АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА РТ. Антеннофидерные устройства
 Скачать 7.65 Mb.
|
|
1.4. Распространение декаметровых волн. Особенности распространения КВ. Понятие о дневных и ночных волнах. Свойства ионосферы, диэлектрической проницаемости ионосферной плазмы определяют особенности дальнего распространения декаметровых радиоволн (ДМВ) в волноводном канале Земля—ионосфера. В частном случае они могут распространяться без отражения от Земли за счет сферического строения ионосферы (рис. 23). Такой механизм иногда называют рикошетирующим, он является выгодным энергетически, так как ЭМВ в этом случае практически не взаимодействуют с нижними слоями ионосферы (D и Е, где наиболее выражены потери. Такой канал распространения называют также ионосферным волноводным каналом. Взаимодействие радиоволн с Землей приводит к обратному рассеянию их энергии, которая может регистрироваться вместе расположения излучающего устройства. Такие сигналы принято называть сигналами возвратно наклонного зондирования (ВНЗ). Рисунок 23. Рисунок 24. В табл. 1.4 приведены некоторые особенности распространения ДМВ, связанные с описанными выше параметрами ионосферы как среды распространения радиоволн. Радиус действия земной волны в диапазоне ДМВ сравнительно невелики при обычно используемых мощностях передатчиков не превышает нескольких десятков километров. Это обусловлено потерями в полупроводящей поверхности Земли и большими потерями в процессе дифракции вдоль Земли. Но декаметровые волны могут распространяться на многие тысячи километров путем многократных последовательных 37 отражений от ионосферы и Земли (рис. 24), и для этого не требуются передатчики большой мощности. Это уникальное свойство диапазона ВЧ и используется для построения систем дальней связи. Кроме радиосвязи декаметровые волны широко используются для радиовещания, дальней радиолокации, исследования ионосферы и др. Таблица 1.4. При нормальных условиях распространения ионосферных ДМВ каждая из областей ионосферы выполняет вполне определенную функцию области D и Е являются поглощающими, а слой F 2 отражающим. Для осуществления радиосвязи на коротких волнах (КВ) должны одновременно выполняться следующие условия 1. Применяемая для радиосвязи частота должна быть меньше максимальной для заданной линии радиосвязи и для реальной ионизации отражающего слоя на трассе. 2. Поглощение радиоволн в областях D и Е не должно быть чрезмерно большим, те. при обычно используемых мощностях передатчиков и применяемых типах передающих антенн напряженность поля вместе приема должна быть достаточной для уверенного приема сигналов. Первое из этих условий ограничивает диапазон используемых частот сверху. Второе ограничивает диапазон применяемых частот снизу, потому что, чем меньше используемая частота, тем больше поглощение на трассе. 38 Рисунок 25 характеризует условия распространения дневных волн в дневные часы и ночных волн в ночные часы. Рисунок 25. Рисунок 26. Рисунок 27. Действительно, применение дневных волн в дневные часы возможно вследствие того, что в часы освещенности электронная концентрация в слое F 2 достигает больших значений и от этого слоя могут отражаться радиоволны высоких частот. В тоже время волны такой высокой частоты испытывают незначительное поглощение в сильно ионизированных в дневные часы областях D и Е. В свою очередь, применение ночных волн в ночные часы возможно благодаря тому, что с наступлением темноты электронная концентрация в слое F 2 уменьшается и для соблюдения первого условия частота используемых волн должна быть понижена. С наступлением темноты уменьшается и электронная концентрация области Е, а область D вообще исчезает, поэтому поглощение радиоволн даже относительно низких частот не будет чрезмерно большим. Рисунки 26 и 27 характеризуют условия распространения коротких волн при несоблюдении одного из указанных условий. Рисунок 26 относится к случаю применения дневных волн в ночные часы, когда нарушается первое условие. Если с наступлением темноты продолжать работу на дневной волне, то вследствие постепенного уменьшения электронной концентрации области F 2 наступит момент, когда рабочая частота сделается больше критической и радиоволна перестанет отражаться от слоя. Как показано на рис. 26, луч, частично искривляясь, будет пронизывать слой F 2 насквозь. Рисунок 27 отображает схему распространения коротких волн при использовании ночных волн в дневные часы, когда нарушается второе условие. Поскольку частота ночных волн заведомо меньше критической, ночные волны в дневные часы будут отражаться от слоя F 2 . Однако, проходя сквозь сильно ионизированные в дневные часы области D и Е, ночные волны будут испытывать очень большое поглощение, которое резко возрастает с уменьшением частоты. Поглощение ночных волн в часы освещенности обычно бывает столь значительным, что напряженность поля оказывается, как правило, совершенно недостаточной для уверенного приема. 39 Зона молчания Короткие волны, распространяющиеся как земные, поглощаются в почве значительно сильнее, чем средние. С другой стороны, лучи, угол возвышения которых превышает критический угол кр, пронизывают ионосферу и от нее не отражаются, а луч, составляющий угол кр, попадает в достаточно отдаленную точку С (рис. 28). Все более пологие лучи попадают соответственно в более удаленные точки на поверхности Земли. Если обозначить через В точку, в которой напряженность поля земных волн принимает пороговое значение, при котором еще возможен прием сигналов, то область ВС будет изображать протяженность так называемой зоны молчания. Рисунок 28. Внутренний радиус зоны молчания определяется условиями распространения земных волн. При заданной мощности передатчика он не зависит от времени суток, а зависит только от частоты чем она больше, тем меньше этот радиус. Абсолютное значение внутреннего радиуса устанавливается расчетом необходимой напряженности поля земной волны по формуле r G P E пер изл 60 , G – усиление антенны. Внешний радиус определяется условиями распространения ионосферных волн он зависит и от времени суток, и от частоты. При заданной частоте и уменьшении электронной концентрации отражающего слоя ионосферы из-за наступления темноты на трассе, для сохранения неизменных значений f max угол β должен быть уменьшен. Следовательно, при наступлении темноты от ионосферы отражаются только более пологие лучи с меньшим углом возвышения, которые, естественно, попадают в более удаленные пункты. С наступлением темноты внешний радиус зоны молчания возрастает. 40 Замирания ДМВ, их природа и характеристики Главной особенностью распространения ДМВ являются замирания, те. беспорядочные, случайного характера непрерывные изменения напряженности поля в точке приема. Глубина их может достигать десятков децибела частота замираний колеблется от долей до десятков герц. Основная причина замираний — многолучевость, приводящая к интерференции волн, попавших вместо приема за счет отражений от ионосферы в условиях непрерывного и случайного изменения ее состояния. Механизм возникновения замираний в таком случае иллюстрируется риса. Рисунок 29. Интерференция лучей, претерпевших разное число отражений, является не единственной причиной замираний. Под действием магнитного поля Земли ионизированный газ приобретает свойства двоякопреломляющей среды, отражающейся при этом от ионосферы луч, расщепляется на два обыкновенный и необыкновенный, векторы Е которых лежат в перпендикулярных плоскостях. На рис. б показано, что даже в условиях одного отражения пункта приема достигают два луча, излученные под несколько отличными углами к горизонту. На рис. б сплошной линией показан обыкновенный луча штриховой — необыкновенный. Такая ситуация и приводит к поляризационным замираниям. Из-за мелких неоднородностей в электронной концентрации отражающих областей ионосфера приобретает свойства среды, отражения от которой носят частично диффузный (ненаправленный куда-либо преимущественно) характер. Благодаря этому пункта приема достигает множество рассеянных лучей, даже при одном отражении от ионосферы, как это показано на рис. 30, что также приводит к замираниям. Такого рода многолучевость получила название диффузной в отличие от рассмотренной ранее дискретной. 41 Рисунок 30. Резюмируя, можно сказать, что замирания возникают при одновременном существовании многолучевости (дискретной или диффузной) и флуктуаций свойств отражающей области (в частности, высоты отражений. Интерференционные и поляризационные замирания обычно протекают как быстрые медленные замирания приписывают процессам медленных изменений поглощения. Основные характеристики быстрых замираний (частота и глубина замираний, масштабы пространственной и частотной взаимосвязанности й др) существенно изменяются даже в течение относительно коротких интервалов времени. В силу существенной неоднородности электрических свойств, той относительно небольшой области ионосферы, которая обеспечивает поворот падающей ЭМВ обратно к Земле, образующаяся при распространении многолучевость зачастую приводит к так называемым селективным замираниям. При этом различные участки спектра относительно широкополосного сигнала могут флуктуировать почти независимо недружно, что приводит к искажениям передаваемой информации при обработке сигнала. Например, если передается сигнал частотной телеграфии, то при достаточно большом разносе частот f от «отжатия» инж нажатия фазы их замираний могут не совпадать (на рис. 31 это показано стрелками изменений уровня, что приводит к искажениям формы телеграфных посылок ив конечном счете к потере информации. Рисунок 31. 42 Необходимо добавить, что флуктуации уровня принимаемых сигналов могут быть следствием и многих других причин природного и технического характера. Например, в силу того, что ДНА передающей антенны образует в пространстве телесный угол, в случае нестабильности отражающего слоя в ионосфере в точку приема будет попадать в общем случае несколько дискретных лучей в присутствии диффузной многолучевости. Эти лучи могут приходить под разными углами к нормали приемной антенны, как в вертикальной, таки в горизонтальной плоскости. Перемножаясь случайным образом с ДНА и интерферируя между собой, сигналы этих лучей создадут на входе приемника замирающий результирующий сигнал (рис. 32). Рисунок 32. Флуктуируют при радиоприеме все параметры радиосигнала. Степень воздействия флуктуаций на качество приема зависит от многих факторов и приводит к искажениям спектра и формы сигнала. Борьба с замираниями Замирания ухудшают качество связи, вызывают пропадания отдельных букв передаваемого телеграфного текста, являются источником искажений при передаче сигналов телефонии и фототелеграмм ив конечном счете, 43 снижают надежность работы канала связи и его пропускную способность. Поэтому во всех современных системах связи предусматривается проведение мероприятий для устранения вредного действия замираний. С целью получения высокой надежности приема на профессиональных радиоприемных станциях КВ для борьбы с замираниями помимо АРУ применяют сдвоенный прием на разнесенные антенны. При достаточном удалении приемных антенн друг от друга они принимают - волны, отраженные от различных участков ионосферы. Изменения состояний достаточно удаленных друг от друга отражающих областей мало связаны между собой. Опыт показывает, что для получения положительного эффекта расстояние между разнесенными антеннами должно быть более 10 длин волн. При очень плохих условиях приема для борьбы с замираниями иногда применяют не сдвоенный, а строенный прием. Кроме пространственного разнесения иногда используется поляризационный разнос, при котором прием осуществляется одновременно на антенны с вертикальной и горизонтальной поляризациями. При поляризационном разносе обе антенны могут быть подвешены на одних и тех же антенных опорах, поэтому необходимые размеры антенного поля уменьшаются по сравнению со случаем пространственного разноса. Известны способы разнесения по углам прихода лучей. Принципиально возможным способом получения независимо замирающих сигналов на коротких волнах является частотный разнос. Независимость замираний обеспечивается при разносе несущих частот более чем на 1... 5 кГц в зависимости от состояний ионосферы. Влияние геофизических условий на распространение волн На условия распространения КВ сильное влияние оказывает летний период солнечной активности, фаза которого определяет общую интенсивность солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучении, а следовательно, и суммарную атмосферы Земли в годы максимума эта ионизация возрастает, в годы минимума убывает. Понятно поэтому, что для практики распространения КВ очень важно располагать сведениями о состоянии солнечной активности. Наиболее удобный индекс солнечной активности среднегодовое относительное число солнечных пятен, называемых числами Вольфа. Ежедневно по определенным правилам наряде обсерваторий земного шара подсчитывается число солнечных пятен и определяется сначала их среднее число за месяца затем и среднегодовое. По мере увеличения солнечной активности возрастают критические частоты всех ионизированных слоев. Весьма ощутимо также влияние 44 различного рода ионосферных возмущений на процессы распространения КВ. Общие возмущения характеризуются явно выраженным географическим распределением, проявляющимся в том, что наиболее сильные из них возникают в полярных районах. Вовремя типичных для этих районов возмущений типа поглощения в зоне полярных сияний» и поглощения в полярной шапке в области слоев D (и частично Е) формируется сильно ионизированный слой. Ионизация этого слоя недостаточна для отражения КВ, но он препятствует прохождению коротких волн через эту область для последующего отражения от слоя F 2 . Таким образом, вовремя возмущений рассматриваемого типа прохождение КВ в зоне полярных сияний и полярной шапки прекращается. Длительность таких возмущений измеряется часами и сутками. В отличие от двух рассмотренных типов возмущений внезапные поглощения охватывают всю освещенную часть земного шара. Они тем интенсивнее, чем круче солнечные лучите. сильнее всего проявляются в экваториальной зоне. Формирующаяся вовремя этих возмущений сильно ионизированная область на уровне слоя D также препятствует достижению короткими волнами слоя F 2 , что вызывает нарушения связи. Длительность внезапных поглощений меняется от нескольких минут до нескольких часов. 45 1.5. Распространение сантиметровых, дециметровых и метровых радиоволн. Распространение ультракоротких волн. Ультракороткие радиоволны занимают диапазон длин волн 10 мм, что соответствует диапазону частот 30 МГц. .3000 ГГц. Такие частоты в верхней части диапазона называются сверхвысокими (СВЧ. Ближнее распространение УКВ. На радиолиниях малой протяженности для увеличения расстояния прямой видимости передающие и приемные антенны поднимают, возможно, выше над поверхностью Земли. Расстояние прямой видимости (в километрах) (рис. 33) определяется по формуле где аз- радиус Земли (6370 км h 1 , h 2 - высоты передающей и приемной антенн, мВ зоне прямой видимости на расстояниях, не превышающих км, поверхность Земли можно считать плоской. Б. А. Введенским показано, что в зоне плоской Земли поле в любой точке складывается из двух волн прямой и отраженной от Земли, причем напряженность результирующего поля ввиду интерференции зависит от разности длин их путей. Рассмотрим случай, когда антенны передатчика и приемника УКВ находятся в точках А, В, а поверхность Земли идеально гладкая (рис. 33). Рисунок 33. Этот случай применительно к Земле как к препятствию соответствует соотношению поэтому его можно рассматривать в 46 геометрическом приближении. Поле в точке приема Весть результат сложения полей прямой волны, прошедшей путь АВ, и отраженной, прошедшей путь АС+ СВ. Если r 2>> 2h 1 , то линии АВ, А’’В можно считать практически параллельными (рис. 34). Рисунок 34. Мощность поля в точке приема зависит от разности фаз прямого и отраженного лучей Δφ (которая, в свою очередь, зависит от разности хода, те. от Δr=r 1 -r 2 ) следующим образом - где β — изменение фазы в точке отражения С. При малых θ (рис. 34) β≈π, поэтому Для случая прямой УКВ-радиосвязи отношение принимаемой и излученной мощностей (21.2) где V 3 влияния Земля и тропосферы. При относительно малых по сравнению с r 1 высотах h 1 , h 2 (21.3) Здесь К эф — эффективный коэффициент отражения УКВ от Земли. Для нашего случая гладкой Земли К = 1. Из (21.2) и (21.3) видна связь мощности поля в точке приема и разности хода Δr. Для расчета напряженности поля в точке приема (В на рис. 33, когда приемная антенна находится на не слишком большой высоте) Б. А. Введенским выведена очень удобная формула, называемая отражательной 47 (21.4) где d з – длина трассы по Земле, км. Формула (21.4) применима при условиях (2π/ λ(h 1 *h 2 / d з θ < 5°; К эф <0.95/ (21.5) Неравенство К эф >0,95 можно проверить, пользуясь таблицами, специально составленными для различных типов подстилающей поверхности при различных длинах волн. При увеличении расстояния прямой видимости необходимо учитывать сферичность Земли (рис. 35). Рисунок 35. Если через точку отражения С провести плоскость РР, касательную к поверхности Земли, и отсчитать высоты антенн h 1 ’, h 2 ’ от этой плоскости, то сточки зрения геометрии получим случай, уже рассмотренный ранее (см. рис. 33). Следовательно, в случае сферической Земли для расчета мощности в точке приема В необходимо в формулу (21.4) подставить вместо величины h 1 ’, h 2 ’, которые назовем приведенными высотами. Однако замены истинных высот антенн приведенными недостаточно для того, чтобы получить близкую к действительной напряженность поля в точке В. Необходимо еще учесть явление атмосферной рефракции, вследствие которого траектории прямой (АВ) и отраженной (А СВ) волн искривляются. Рефракция приводит к тому, что УКВ заходят в зону тени, те. границы геометрического горизонта расширяются приблизительно на 15%. Этот новый, более широкий горизонт, обусловленный рефракцией, называют радиогоризонтом (рис. 36). Зону между геометрическими радиогоризонтом называют зоной полутени. 48 Рисунок 36. Если не учитывать рефракцию, то для случая сферической Земли и нахождения точки В на пределе прямой видимости в выражение (21.4) необходимо вместо d з подставлять r 0 2 (см. формулу (21.1) ирис. В результате рефракции расстояние прямой видимости т получает некоторое приращение Δr 0 . Обозначим эк+ Для определения воспользуемся понятием эквивалентного радиуса Земли. Представим себе, что на рис. 36 фигура АВВ’А’ сделана из проволоки, причем дуга А`В` из гибкой, а все остальные элемент из жесткой. Тогда спрямление дуги А повлекло бы за собой уменьшение кривизны дуги А`В`, те увеличение радиуса Земли. Дуга АВ превратилась бы впрямую, а радиус Земли аз превратился бы в некоторый эквивалентный радиуса эк. Таким образом, введение эквивалентного радиуса Земли формально избавляет нас от необходимости учитывать рефракцию. Для нормальной атмосферы а э ≈(4/3)а з Соответственно формула (21.1) приобретает вид (21.7) Сравнивая (21.1) и (21.7), приходим к выводу, что из-за атмосферной рефракции расстояние прямой видимости увеличивается на 15%. 49 Дальнее распространение УКВ Рассеяние на неоднородностях тропосферы Сначала х годов были установлены отдельные случаи, когда радиосвязь на метровых и дециметровых волнах осуществлялась на расстояниях, значительно превышающих расстояние до радиогоризонта вплоть до 1000 км. Начиная с х годов в ряде стран приступили к планомерному изучению явления дальнего тропосферного распространения УКВ (ДТР УКВ) с целью выяснения возможности его практического применения. Было установлено, что явление ДТР связано с наличием в тропосфере неоднородностей турбулентного (вихревого) происхождения. Благодаря турбулентному движению воздуха температура Т к давление Рати влажность а в различных, даже близкорасположенных точках различны и изменяются флуктуируют) относительно своих средних значений (Т к , Р ат , а) Так как диэлектрическая проницаемость тропосферы (т) и связанный с ней коэффициент преломления воздуха (n т т) зависят от Т к , Р ат , а то величина т также флуктуирует относительно среднего значения n т. Флуктуации коэффициента преломления являются причиной рассеяния УКВ в тропосфере и дальнего тропосферного распространения, которое в данном случае называют диффузным. При ДТР средние уровни принятых сигналов выражают обычно в децибелах по отношению к уровням сигналов, которые были бы приняты в свободном пространстве на том же расстоянии от передатчика. Это отношение В называют функцией ослабления поля при ДТР. Конкретное выражение для среднего значения величины В (в децибелах) имеет вид вх вх R G G P Ig Igd IgU В 2 1 1 3 20 20 20 38 (2 1.8) где U вх - эффективное (действующее) напряжение на входе приемника УКВ при ДТР, мкВ d 3 – расстояние между приемником и передатчиком по поверхности Земли, км Р — мощность излучения передатчика, Вт G 1 и G 2 — коэффициенты усиления передающей и приемной антенн соответственно R вх - сопротивление приемника УКВ, Ом λ длина волны, м. Явление ДТР с успехом используется для создания ретрансляционных линий. Несмотря на то, что для таких линий требуются мощные передатчики, сложные антенны и чувствительные приемники, создание таких линий оказалось экономически выгодным. Явление ДТР позволяет размещать промежуточные ретрансляторы на расстояниях 200...800 км. Основным видом информации, передаваемым по таким радиолиниям, является многоканальная телефония. |