ЗВ и мобильная связь 2010. Запорізький національний технічний університет
 Скачать 37.31 Mb.
|
|
Классификация радиоволн по способу распространения По способу распространения в околоземном пространстве радиоволны классифицируются на четыре группы:
Подземные (подводные) волны При падении на земную поверхность радиоволны частично отражаются, частично преломляются, распространяясь как подземные (подводные) волны и поглощаются в толще земли или воде. Неоднородность структуры земной поверхности и атмосферы являются причиной непрямолинейного распространения радиоволн. Земные волны – это радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости(в масштабе длин волн) от поверхности земли и частично огибающие ее выпуклость в следствии дифракции. Дифракции подвержены длинные и сверхдлинные волны, длина которых соизмерима с размерами выпуклостей. Дальность распространения достигает за счет дифракции до 3000-4000 км. Тропосферные волны – это радиоволны распространяющиеся на значительные расстояния до 1000 км. За счет рефракции (искривление траектории распространения радиоволн) и рассеяния в тропосфере (туман, облака, дождь) (рис. 10,б). Рассеяние проявляется на λ<10м, которые слабо диафрагируют вокруг земного шара. А также в результате направляющего волноводного действия тропосферы. В тропосферных волноводах распространяются радиоволны λ<3м. (рис. 10,а). Тропосфера неоднородна как по высоте так и вдоль поверхности Земли. Ионосферными, или пространственными, волнами называются радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния и огибающие земной шар в результате однократного или многократного их отражения от ионосферы (λ >10м) (рис.), а также волны, рассеивающиеся на неоднородностях ионосферы и отражающиеся от ионизированных следов метеоров ( в диапазоне метровых волн). Ионизация обусловлена действием ультрафиолетовых лучей Солнца, т.е. имеется большое число свободных электронов.  Рисунок 10  Рисунок 11 Радиоволны в космосе За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшается и на расстоянии равном 3-4,5 Rз, 6370 км, атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован. Условия распространения как в свободном пространстве. Классификация радиоволн по диапазонам. Характер влияния тех или иных факторов существенно зависит от длины волн. Волны каждого диапазона имеют свои особенности распространения, но на границах диапазонов не существует резких изменений этих особенностей. В таблице 1.1 приведено распределение электромагнитных волн по диапазонам по рекомендациям Международного консультативного комитета радиосвязи (МККР). В табл. 1.1 наведено розподіл електромагнітних хвиль за діапазонами згідно з державним стандартом України та вказані від повідні номери діапазонів за рекомендаціями Міжнародного консультативного комітету радіозв'язку (МККР). В 1992 p. МККР (CCIR: Comité consultatif international pour la radio) був перетворений в Interna tional Telecommunication Union - Radiocommunication Sector (ITU-R): Сектор радіозв'язку Міжнародного Союзу Електрозв'язку (МСЕ). Таблица 1.1
Радиолинии делятся на две группы – первичные и вторичные. В случае первичных радиолиний информация сообщается радиосигналу в процессе его формирования передающей станцией. Первичные радиолини:
 Рисунок 11 Разновидностью этой группы является радиорелейная линия связи(РЛЛ) – это последовательная цепочка первичных радиолиний. Передаваемая информация попадает на конечный пункт через промежуточные станции А1, А2 (из-за большой протяженности линии связи), которые являются активными ретрансляторами. Обычно несущая частота принимаемого сигнала несколько изменяется после усиления при излучении на последующую соседнюю станцию.(рис. 11,в)
Вторичные радиолинии. В этом случае излучаемый сигнал не несет информации. Он непосредственно не попадает в пункт приема. Излучаемые волны, распространяясь в среде, попадают на искусственный (самолет) или естественный (грозовое облако) объект, который по электрическим свойствам отличается от окружающей среды.(рис.11,г) Этот объект рассеивает падающие волны по разным направлениям, т.е. создается вторичное электромагнитное поле, которое и воздействует на приемную антенну. О наличии объекта и его параметрах судят по характеристикам, которые приобрел сигнал под воздействием этого объекта. Т.е. информация изменяется не из первичного падающего сигнала, а из вторичного (рассеянного) поля. Эти вторичные радиолинии находят применение, прежде всего в радиолокации. Здесь приемное и передающее устройства находятся в одном пункте, а для излучения и приема используется одна и та же антенна.
2.1 Энергетические соотношения в условиях свободного пространства. Свободное пространство представляет собой однородную не поглощающую среду для которой εr=1, μr=1. Реально таких сред нет. Но выражения, описывающие условия распространения радиоволн в этом простейшем случае являются фундаментальными. Распространение волн в более сложных случаях характеризуется использованием тех же выражений, но с внесением множителей, учитывающих влияние конкретных условий распространения. Напряженность электрического поля ненаправленного излучателя  Рисунок 2.1 - К определению напряженности поля волны, создаваемой изотропным излучателям Поместим в свободном пространстве антенну, излучающую равномерно по всем направлениям (изотропный излучатель) и будем считать, что это передающая антенна точка А (рис 2.1). Вокруг источника проведем воображаемую сферу радиуса r. Если к излучателю подведена мощность P1 и она равномерно распределена по поверхности сферы площадью 4πr2, то средняя за период плотность потока мощности будет равна:  (2.1)Направление вектора  совпадает с направлением распространения волн.Известно, что среднее значение вектора Пойнтинга равно:  (2.2) где  ,  амплитуда значения векторов Е и Н в свободном пространстве.Вектор  и  связаны соотношением: , (2.3)где  ,Ом – характеристическое сопротивление свободного пространства.Тогда Hm из (2.3) равно  (2.4)Подставив (2.4) в (2.2), получим.  (2.5)Приравнивая (2.1) и (2.5) и определим напряженность электрического поля Еm  (2.6)где P1` – мощность, подводимая к ненаправленному облучателю; Еm – амплитуда электрического поля на расстояние r от ненаправленного облучателя, расположенного в свободном пространстве. Если обратиться к действующим значениям электрического и магнитного поля,  и  , (2.7)то подставив (2.7) в (2.6) получим выражение для действующего значения напряженности электрического поля ненаправленного излучателя  (2.8)Напряженность поля направленного излучателя. Коэффициент направленного действия излучателя D. В реальных условиях ненаправленных излучателей не существует. Даже простейшие антенны обладают направленными свойствами. Степень концентрации мощности, излучаемой антенной называется коэффициентом направленного действия, сокращенно КНД или D. Физический смысл КНД. Предположим, что рядом расположены направленная антенна А и изотропная, (ненаправленная) антенна В (рис. ). У ненаправленной антенны круговая диаграмма направленности.  Рисунок - Диаграммы направленности антенн, направленной (А) и изотропной (В) Если обе антенны излучают одинаковые мощности Р1, то в пункте приема, достаточно удаленном от антенны, большая напряженность поля создается направленной антенной. Будем постепенно увеличивать подводимую к изотропной антенне мощность до тех пор, пока она не будет создавать в пункте приема такую же напряженность, что и направленная антенна. Таким образом, КНД – это число, определяемое отношением мощности излучения направленной антенны и ненаправленной, создающих в данном направлении на одном и том же расстоянии одинаковую напряженность поля. Т.е. он показывает какой энергетический выигрыш дает применение направленной антенны по сравнению с ненаправленной. Наибольший интерес представляет КНД в направлении максимального излучения антенны  ,где  .Этот коэффициент впервые ввел А.А. Писталькорс в 1929 г. Поэтому напряженность поля, создаваемая в свободном пространстве направленной антенной в направлении максимального излучения определяется для действующих значений  для мгновенных значений  КНД измеряется в Нп, дБ, относительных единицах. Диаграмма направленности (ДН) Амплитудная ДН – это зависимость интенсивности электромагнитного поля, излучаемого антенной от угловых координат в пространстве. ДН характеризует направленные свойства антенны, т.е. ее способность концентрировать ЭМЭ в заранее выбранном секторе пространства. Схема измерения: передающая антенна помещена в начале сферических координат. M(r, θ, φ). Так как измерения проводим в дальней зоне, то вид ДН здесь не зависит от координаты r, т.е. ее вид не изменяется, а только от угловых координат φ,θ.  Рисунок - Схема измерения диаграммы направленности Выполнив измерения, получим зависимости вида  - для амплитуды электрического поля; - для модуля вектора Пойнтинга;  - для угловой плотности мощности. Штрихами обозначены амплитудные множители (  ), не зависящие от угловых координат; функции  определяют ДН.Нормированная ДН: Чтобы сравнивать направленные свойства разных антенн, удобно пользоваться нормированными ДН, которые определяются как по полю -  ,где Е max – значение направления электрического поля в точке максимума; по мощности -  ; .Напряженность поля, создаваемая направленной антенной в произвольном направлении  Комплексная амплитуда напряженности электрического поля направленного излучателя  . (2.9)Мгновенное значение напряженности электромагнитного поля  (2.10)где  волновое число свободного пространства.Формулы практического определения Ед, Еm. Единицы изменения в формулах для определения Еm не удобны для практического применения, то есть  в (В/м), а r в (м).Поэтому обычно мощность выражают в кВт, а расстояние в км, а напряженность в мВ/м, то для действующих значений,  (2.11)для мгновенных значений  (2.12)Формулы для определения напряженности электрического поля справедливы для любого типа антенн, если в них подставить D соответствующего типа антенн. Параметры приемных антенн Коэффициент направленного действия (КНД) В случае апертурных антенн, то есть антенн, имеющих поверхность раскрыва (зеркальные, рупорно-линзовые, рупорные) КНД определяется  , (2.13)где S –геометрическая площадь антенны; КНД, определяемый таким образом, будет иметь максимальное значение при заданной площади. Это очень важное соотношение в теории антенн. Это выражение получено в предположении, что площадь антенны достаточно велика по сравнению с длиной волны λ и на поверхности антенны равномерно распределены однородные синфазные источники. Коэффициент использования поверхности υ (КИП) Если источники неоднородны, то есть амплитуда и фаза зависят от координат, то КНД будет меньше и формула может быть представлена в виде  , (2.14)где υ – коэффициент, меньше единицы и называется коэффициентом использования поверхности, (КИП). КИП изменяется в пределах от 0,4 до 0,9. Он зависит от распределения токов или полей на поверхности антенны, и от точности выполнения антенны. Эффективная площадь приемной антенны Sэфф. В выражении для КНД произведение Sэфф = υ S называется эффективной площадью приемной антенны. Следовательно, в этом случае можно записать  . (2.15) Отсюда  . (2.16)Речь идет о приемной антенне, которая находясь в электромагнитном поле, поглощает часть его энергии и передает в приемник, являющийся для антенны нагрузкой. Эквивалентная площадь, с которой антенна полностью поглощает энергию волны, пришедшей с главного направления и отдает в согласованную нагрузку называется эффективной площадью антенны, т.е.  будет определяться по формуле (2.17).  (2.17)Отсюда  .Среднее значение вектора Пойнтинга (2.17) направленного излучателя равно :  (2.18)Подставив формулу(2.18) в (2.17), получим :  (2.19)Коэффициент усиления антенны (G)  . (2.20)Коэффициент усиления более полно характеризует антенну, чем КНД. Действительно, коэффициент направленного действия (D) учитывает только концентрацию энергии в определенном направлении, то коэффициент усиления множителем η учитывает еще и уменьшение излучения вследствие потерь мощности в антенне. G измеряется в неперах и децибелах. Уравнение идеальной радиосвязи. В некоторых случаях определяют не напряженность электромагнитного поля в точке приема, а мощность Р2 на входе приемной антенны. Введем обозначения: Р1 – мощность, подводимая к передающей антенне, D1 –КНД передающей антенны. Р2 – мощность на входе приемной антенны и D2 – соответственно КНД приемной антенны. Необходимо связать параметры передающей антенны Р1 и D1 с Р2 иD2. это можно сделать исходя из Sэфф. Согласно формуле (2.19), в которой  - мощность на входе приемника и учитывая, чтo приемной антенны определяется из (2.16),то приравнивая (2.16) и (2.19) получим мощность на входе приемного устройства в условиях свободного пространства (2.21)Формула (2.21) называется формулой идеальной радиотрассы, и не учитывает влияние Земли, атмосферы и другие факторы. Мощность на входе приемного устройства для двух типов радиолиний. Для радиолиний двух типов (первичной и вторичной) мощность на входе приемника оказывается разной при одинаковых параметрах передающего и приемного устройства. Радиолинии 1 типа (первичная радиолиния) Обратимся к рис.( 5) , на котором схематично показана первичная линия передачи. Мощность сигнала на входе приемника определится как (5)  Рисунок 5 – Схема первичной линии передачи Введем обозначения :  - мощность, подводимая к передающей антенне; - мощность на выходе приемной антенны; - мощность на входе приемной антенны. Для этого типа линий передачи мощность на входе приемной антенны определится  (2.22)Радиолинии 2 типа(вторичная радиолиния) На рис.(6) приведена схема радиолинии второго типа. Значение мощности на входных приемника для радиолиний 2 типа зависит от тех же параметров, что и для 1 типа, но еще и от переизлучающих свойств ретранслятора.  Рисунок 6 – Схема вторичной линии передачи Эффективная площадь рассеяния (ЭПР, σэпр). Если какое-то тело облучается полем, то его способность переизлучать это поле, оценивается эффективной поверхностью рассеяния, которая переизлучает первичное поле ненаправленно и без потерь, создавая при этом в месте приема такую же плотность потока мощности, что и реальный переизлучатель. Величина ЭПР зависит от формы и электрических параметров материала, из которого изготовлен переизлучатель, а так же от его ориентировки относительно направления первичного поля и направления на прием. Возможны два варианта расчета мощности сигнала на входе приемной антенны Первый вариант, при  тогда  (2.23)Второй вариант , при  , то есть переизлучатель расположен на середине трассы, а это бывает всегда, если передатчик и приемник составляют отдельные блоки локатора, то  (2.24)Выражение (2.24) называется основным уравнением радиолокации. Выводы:
Здесь поле дважды испытывает сферическую расходимость: первичное поле (от передатчика до ретранслятора); вторичное поле ( ретранслятор – приемник). Множитель ослабления V ( Ослабление поля свободного пространства в реальных условиях ) Реальные условия существенно отличают от условий распространения в свободном пространстве из-за наличия: 1)границы раздела атмосфера – Земля; и 2)неоднородного строения атмосферы и земной поверхности. Амплитуда поля в реальных условиях уменьшается не только как  , но и за счет поглощения и рассеяния электромагнитной энергии (в Земле, ионосфере, тропосфере, гидрометеорах, от интерференции , дифракции и т.д.).Для учета влияния Земли и неоднородности атмосферы вводят понятие множителя ослабления поля свободного пространства V , который в дальнейшем будет называться просто множитель ослабления. Множитель ослабления – это отношение напряженности поля Е на расстоянии rот передающей антенны при распространении в реальных условиях к напряженности Е0на том же расстоянии в свободном пространстве , т. е.  где  - модуль множителя ослабления, - фаза, которая оценивает дополнительные изменения фазы волны.Факторы, влияющие на величину множителя ослабления Он зависит 1) от длины радиолинии; 2) от высот поднятия передающей и приемной антенн над Землей; 3) от длины волны; 4) вида поляризации; 5) рельефа местности на трассе; 6) электрических параметров почвы;7) от электрически неоднородного строения атмосферы, подвергающейся случайным изменениям. В реальных условиях действующее значение напряженности поля в общем виде можно определить  (2.25)В большинстве случаев  , но иногда, например ( при интерференции волн в зоне прямой видимости),  могут быть  . Максимальное значение  Удобно выражать в дБ.  .В ряде случаев множитель ослабления выражается через плотности потоков мощности  ,  .Абсолютные значения V, вычисленные в дБ по полю или по плотности потоков мощности оказываются равными:  .Мощность сигнала на входе приемника в реальных условиях на радиолиниях первого типа будет определяться с учетом V:  Из выражения для мощности на входе приемника можно определить   , (2.26)Потери при передаче электромагнитной энергии. При проектировании систем удобно иметь сведения о потерях электромагнитной энергии. В литературе, особенно в американской, вводят 2 определения потерь : L (потери передачи) (transmission loss) Lв (основные потери передачи ) (basic transmission loss). Введем соотношения между , Lв, L для радиолиний двух типов. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||