ЗО. ЗО Лекция №1 ОРТ. Лекция 1 Особенности распространения и радиоволн
 Скачать 278.17 Kb.
|
|
Заочное отделение Дисциплина «ОП.10 Основы радиосвязи и телевидения» Лекция №1 Особенности распространения и радиоволн. В системах передачи информации для осуществления связи между источниками и получателями сообщений используются электромагнитные колебания (радиоволны), свойства которых во многом определяются длиной волны. В таблицах приведено общепринятое подразделение используемого в радиотехнике диапазона радиоволн и частотные диапазоны.   Радиоволны – это «распространяющиеся в пространстве переменные электромагнитные поля». При излучении электромагнитных волн при смене частоты колебаний зарядов меняется длина волны и приобретается различные свойства. При данном процессе происходит выделение энергии. Электромагнитные волны обладают способностью распространения. Движению зарядов свойственно ускорение, скорость которых меняется с течением времени и является главным условием для излучения электромагнитных волн. Мощность волны напрямую связана с силой ускорения и прямо пропорциональна ей. Показатели, отражающие особенности электромагнитного излучения: - частота колебания заряженных частиц; - длина волны излучаемого потока; - поляризация. Длина волны λ – минимальное расстояние между двумя точками, находящимися в одинаковом волновом состоянии. Частота f – число волновых движений (длин волн), образующихся в одну секунду. Скорость распространения с – скорость распространения волнового процесса от источника энергии. Эти характеристики связаны между собой формулой: λ (м) = с / f(Гц), где с = 3·108 м/с – постоянная величина. Особенности радиоволн: Интерференция – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Дифракция – это свойство радиоволны огибать препятствие, которое встречается на их пути. Рефракция – это явление преломления в тропосфере, что и обеспечивает ведение связи на закрытых трассах. При расположении точек приема и передачи информации на поверхности Земли или же вблизи нее необходимо учитывать наличие нескольких видов распространения радиоволн: - над земной поверхностью; - с переизлучением от верхних слоев атмосферы к поверхности Земли; - с использованием для переизлучения на Землю ретрансляторов, расположенных в космосе. Характер распространения радиоволн во многом зависит от подстилающей поверхности - как от рельефа, так и от свойств этого рельефа. Воздействие атмосферы также зависит от ее состояния (грозовые облака, снег и т.п.). Влияние этих факторов существенно различно для разных длин волн. Основные закономерности распространения радиоволн: - в однородной среде радиоволна распространяется по прямой; - в неоднородных средах наблюдается явление рефракции - отклонение от прямолинейного распространения; - на границах сред с разными свойствами происходит преломление и огражение радиоволн; - радиоволны огибают радионепрозрачные предметы, т.е. происходит дифракция радиоволн; - энергия радиоволн поглощается частицами, находящимися в атмосфере. Степень влияния подстилающей поверхности на электромагнитные волны, распространяющиеся над ней, определяется ее электропроводностью и диэлектрической проницаемостью. Существенно сказывается соотношение между размерами неравномерностей рельефа подстилающей поверхности и длиной волны. К неравномерностям в ряде случаев необходимо относить волнение водной поверхности - начиная с УКВ и ниже по диапазону. При распространении над земной поверхностью электромагнитные поля наводят на поверхности Земли токи, с чем и связана потеря части энергии радиоволны. Энергия волны ослабевает и излучение распространяется во все стороны пространства, поэтому можно предположить, что чем дальше от передатчика приёмник, тем меньше энергии попадает в антенну. Окружающую Землю атмосферу разделяют на три слоя, отличающихся друг от друга по особенностям воздействия на электромагнитные волны. Тропосфера - это нижний слой атмосферы толщиной 10-18 км. При постоянном соотношении содержания азота и кислорода уменьшается давление, температура и содержание водяных паров. Стратосфера простирается ориентировочно до 80 км от поверхности Земли. Для стратосферы характерно несущественное изменение температуры - в нижней части стратосферы она составляет - 50 - 60 °С, неизменна до 40 км высоты, на высоте 60 км - +80 °С, затем падает опять. Повышение до 80 °С объясняется поглощением ультрофиолстового излучения Солнца озоном, содержащимся в воздухе. Ионосфера расположена от 60 - 80 до 1500 км высоты. Это слой разряженного газа, ионизируемого излучением Солнца. По мере роста высоты падает плотность газа и растет длина пролета свободных электронов. В результате ионизированный газ является плазмой и обладает электропроводимостью, которая меняется с высотой, временем суток и сезоном года, а также зависит от активности Солнца. На больших высотах количество ионов меньше, соответственно меньше и влияние ионизации на распространение радиоволн. Влияние существенно до высот порядка 400 км. Так как ионосфера электропроводна, она отражает радиоволны определенных частот. Свойства ионосферы достаточно устойчивы, что позволяет использовать их в регулярных системах радиосвязи. При расчете трассы канала связи учитывают, через какие слои атмосферы она проходит. Это могут быть или трасса вдоль поверхности Земли, или трасса, рассчитанная на переотражение от неоднородностей и слоев атмосферы, и трассы, в которых космический аппарат является ретранслятором. В зависимости от решаемых задач выбираются частотные поддиапазоны радиоволн. Радиоволны в диапазоне ДВ и СДВ в большинстве случаев превышают длиной волны неравномерности Земной поверхности и при их распространении проявляется эффект дифракции. Именно это явление позволяет радиоволнам огибать Земную поверхность и препятствия на ней. Однако необходимо учитывать возможность появления «тени» при огибании препятствий (рис.1). В зоне тени нарушаются условия приема радиоволн.  Рис. 1. Эффект появления тени Естественно, при огибании препятствий часть энергии электромагнитных волн поглощается земной поверхностью, нагревая ее. Чем больше длина волны, тем меньше потери. Радиоволны могут распространяться на тысячи километров. Радиоволны СВ-, ДВ- и СДВ-диапазонов обладают способностью отражаться от ионосферы, в результате чего такие «ионосферные» радиоволны позволяют устанавливать связь в пределах земного шара (рис. 2).  Рис. 2. Многоскачковое распространение радиоволн Как уже указывалось, степень ионизации и высота отражающего слоя зависят от времени суток, сезона и активности Солнца. В результате условия распространения изменяются, причем по-разному для разных длин радиоволн. Так, СДВ-волны отражаются от ионосферы и днем, и ночью, а СВ- и ДВ-волны - наиболее интенсивно ночью. Обратим внимание на нежелательный эффект, вызванный одновременным приходом в точку приема отраженных от ионосферы радиоволн и радиоволн, распространявшихся вдоль поверхности Земли (рис. 3).  Рис. 3. Причина появления замираний Наложение колебаний, сдвинутых на некоторую случайную величину по фазе вследствие разности хода, приводит к появлению интерференции. Изменение состояния отражающих свойств ионосферы приводит к медленным флуктуациям замираний - федингу. Способность радиоволн СДВ-диапазона проникать в поверхностный слой Земли и в морскую воду позволяет осуществлять радиосвязь с подводными и подземными получателями информации. В СВ-диапазоне дальность связи ночью больше, чем днем, так как днем велико их поглощение в ионосфере. Обратим внимание на существование ближней и дальней зон приема. Между ними находится пространство с соизмеримыми уровнями поверхностных и отраженных радиоволн. Естественно, в случае противофазного их сложения интерференционные замирания достигают максимума и связь начинает прерываться. Радиоволны в КВ-дианазоне существенно поглощаются подстилающей поверхностью и дальность радиосвязи вдоль поверхности Земли не превышает 100 км, однако интенсивно, с малыми потерями, они отражаются от ионосферы. В результате отражения радиосигнал имеет достаточный уровень для его уверенного приема при сравнительно небольшой мощности передатчика. Этот диапазон очень давно был освоен радиолюбителями, гак как позволяет с использованием передатчиков мощностью в десятки - сотни ватт устанавливать сверхдальние связи по всему Земному шару. Свойство отражений от ионосферы заключается в том, что оно в отличие от зеркального отражения образует сравнительно широкий угол. В результате формируется зона уверенного приема и «мертвая зона». Часть энергии направляемого на ионосферу радиосигнала распространяется по отражающему слою как по проводнику, а часть покидает пределы Земли (рис. 4).  Рис. 4. Распространение радиоволн в КВ-диапазоне Отметим, что при излучении радиоволн под большим углом к поверхности Земли радиосигналы высоких частот покидают атмосферу Земли. Определены углы, позволяющие добиться максимального отражения радиоволн и обеспечить, следовательно, достаточную энергию в зоне приема. Но именно по этой причине отраженные сигналы невозможно принимать в «мертвой зоне». Радиоволны, направленные вдоль поверхности Земли, не обеспечат «мертвую зону» достаточной энергией для приема, так как практически затухнут вследствие потерь. Радиоволны в УКВ-диапазоне и выше - СВЧ-, КВЧ-, ГВЧ- - распространяются по прямой (некоторые отклонения несущественны и их в системах передачи информации можно не рассматривать). Вследствие слабой дифракции они проходят сквозь ионосферу и достигают космических объектов. В условиях распространения радиоволн вдоль поверхности Земли необходимо учитывать их отражения от Земли, в результате которого возникает многолучевое распространение, приводящее в точке приема к замираниям сигналов, аналогичных наблюдаемому в длинноволновых поддиапазонах. Кроме того, имеет место рассеяние радиоволн в неоднородностях атмосферы, в результате чего возникает еще один вариант радиоканала (рис. 5).  Рис. 5. Многолучевое распространение радиоволн УКВ-, СВЧ- и КВЧ-диапазонов Многолучевость распространения, позволяет получать радиосвязь на расстояниях, на порядок превышающих видимость по прямой. Неоднородности в ионосфере приводят к возникновению радиоканала на расстоянии в тысячи километров (рис. 6). Наличие следов от метеоров, создающих условия для переотражения, позволило создать радиосистемы, реализующие так называемую «метеорную» радиосвязь, а также условие для дальнего распространения радиоволн в УВЧ- и СВЧ-диапазонах при использовании четко выраженных протяженных неоднородностей. В результате возникают дальние радиотрассы.  Рис. 6. Дальнее распространение радиоволн в протяженных неоднородностях |