Irradiadas pelo transmissor, antes de chegar ao receptor, percorrem um caminho que pode ser difícil. As ondas de rádio podem atingir o ponto de recepção propagando-se ao longo de trajetórias retilíneas, curvando-se em torno da superfície convexa da Terra, refletindo-se na ionosfera, etc. Caminhos Propagação de ondas de rádio dependem essencialmente do comprimento de onda l , da iluminação da atmosfera terrestre pelo Sol e de vários outros fatores (veja abaixo).
ondas retas. Em meios homogêneos, as ondas de rádio se propagam em linha reta com velocidade constante, como os raios de luz (raios de rádio). Tal Propagação de ondas de rádio chamado grátis. Termos Propagação de ondas de rádio no espaço sideral, durante a comunicação de rádio entre uma estação terrestre e um objeto espacial, entre dois objetos espaciais, durante observações de radioastronomia, durante a comunicação de rádio entre uma estação terrestre e uma aeronave, ou entre aeronaves, estão quase livres.
A onda emitida pela antena pode ser considerada como uma onda plana a grandes distâncias dela (ver Fig. Emissão e recepção de ondas de rádio
). A densidade do fluxo de energia eletromagnética, proporcional ao quadrado da força do campo de onda, diminui com o aumento da distância r da fonte é inversamente proporcional r 2, o que resulta numa limitação da distância à qual o sinal da estação transmissora pode ser recebido. O alcance da estação de rádio (na ausência de absorção) é igual a: 
, Onde
c - potência do sinal na entrada do receptor, R w - potência de ruído, G1, G2 são os coeficientes direcionais das antenas transmissora e receptora. Velocidade Propagação de ondas de rádio no espaço livre é igual à velocidade da luz no vácuo: Com = 300 000 km/seg.
Quando uma onda se propaga em um meio material (por exemplo, na atmosfera da Terra, na espessura da Terra, na água do mar, etc.), sua velocidade de fase muda e a energia é absorvida. Isso se deve à excitação das oscilações de elétrons e íons nos átomos e moléculas do meio sob a ação do campo elétrico da onda e sua re-radiação de ondas secundárias. Se a força do campo de onda for pequena em comparação com a força do campo atuando em um elétron em um átomo, as oscilações do elétron sob a ação do campo de onda ocorrem de acordo com uma lei harmônica com a frequência da onda incidente . Portanto, os elétrons emitem ondas de rádio com a mesma frequência, mas com amplitudes e fases diferentes. A mudança de fase entre as ondas primárias e reirradiadas leva a uma mudança na velocidade de fase. As perdas de energia durante a interação de uma onda com os átomos são a causa da absorção das ondas de rádio. Absorção e mudança na velocidade de fase em um meio são caracterizadas pelo índice de absorção c e o índice de refração n, que, por sua vez, dependem da permissividade e e da condutividade s do meio, bem como do comprimento de onda l:
(1)
Coeficiente de absorção b = 2pc/l, velocidade de fase u =c/n. Nesse caso r e é determinado não apenas pelas características do transmissor, receptor e comprimento de onda, mas também pelas propriedades do meio (e, s). Em condições terrestres Propagação de ondas de rádio geralmente diferente do gratuito. No Propagação de ondas de rádio a superfície da Terra, a atmosfera da Terra, a estrutura da ionosfera, etc. A influência de certos fatores depende do comprimento de onda.
Influência da superfície terrestre na propagação das ondas de rádio depende da localização do caminho do rádio em relação à sua superfície.
Propagação de ondas de rádio- um processo espacial que captura uma grande área. Mas o papel mais significativo nesse processo é desempenhado por uma parte do espaço delimitada por uma superfície que tem a forma de um elipsóide de revolução, em cujos focos MAS e NO transmissor e receptor estão localizados arroz. 1 ). O eixo maior do elipsóide é quase igual à distância R entre o transmissor e o receptor, e o eixo menor ~. Quanto menor l, mais estreito é o elipsóide; na faixa óptica, degenera em uma linha reta (feixe de luz). Se alturas Z1 e Z2, no qual as antenas do transmissor e do receptor estão localizadas em relação à superfície da Terra, são grandes em comparação com l, então o elipsóide não toca a superfície da Terra ( arroz. 1 , uma). A superfície da Terra não tem efeito neste caso sobre Propagação de ondas de rádio(distribuição gratuita). Ao abaixar ambos ou um dos pontos finais do caminho do rádio, o elipsóide tocará a superfície da Terra ( arroz. 1 , b) e o campo da onda refletida está na onda direta que vai do transmissor ao receptor. Se em Z1>>eu e Z2>> l, então este campo pode ser considerado como um feixe refletido pela superfície da Terra de acordo com as leis da óptica geométrica. O campo no ponto de recepção é determinado pela interferência dos feixes diretos e refletidos. Os máximos e mínimos de interferência determinam a estrutura pétala do campo ( arroz. 2 ). Doença Z1 e Z2>> l pode ser cumprido praticamente apenas para ondas métrica e curtas, então a estrutura de campo em lóbulos é típica para ondas ultracurtas (VHF).
À medida que l aumenta, uma região significativa se expande e atravessa a superfície da Terra. Neste caso, não é mais possível representar o campo de onda como resultado da interferência das ondas diretas e refletidas. influência da Terra sobre Propagação de ondas de rádio neste caso é devido a vários fatores: a terra tem uma condutividade elétrica significativa, portanto Propagação de ondas de rádio ao longo da superfície da Terra leva a perdas de calor e enfraquecimento da onda. As perdas de energia na terra aumentam com a diminuição de l.
Além do enfraquecimento, há também uma mudança na estrutura do campo de ondas. Se uma antena perto da superfície da Terra irradia uma onda polarizada linearmente transversal (ver Fig. Polarização da onda ), em que a intensidade do campo elétrico Eé perpendicular à superfície da Terra, então a grandes distâncias do emissor a onda torna-se elipticamente polarizada ( arroz. 3 ). O valor da componente horizontal E x é muito menor que a vertical E z e diminui com o aumento da condutividade s da superfície da terra. A aparência do componente horizontal permite receber ondas terrestres no chamado. antenas terrestres (2 condutores localizados na superfície da Terra ou em baixa altitude). Se a antena emite uma onda polarizada horizontalmente ( E paralelo à superfície da Terra), então a superfície da Terra enfraquece o campo mais, quanto maior s, e cria um componente vertical. Mesmo a pequenas distâncias da fonte horizontal, a componente vertical do campo torna-se maior que a horizontal. Ao se propagar ao longo da Terra, a velocidade de fase das ondas terrestres varia com a distância, mas já a uma distância de ~ alguns l do emissor, torna-se igual à velocidade da luz, independentemente das propriedades elétricas do solo.
O bojo da Terra é uma espécie de "obstáculo" no caminho das ondas de rádio, que, por difração, contornam a Terra e penetram na "área de sombra". Como a difração de ondas se manifesta visivelmente quando as dimensões do obstáculo são proporcionais ou menores que l, e o tamanho da protuberância da Terra pode ser caracterizado pela altura do segmento esférico h (arroz. quatro ), cortado por um plano que passa pela corda que liga os pontos de localização do receptor e do transmissor (ver tabela), então a condição h<< l выполняется для метровых и более длинных волн. Если учесть, что с уменьшением l увеличиваются потери энергии в Земле, то практически только километровые и более длинные волны могут проникать глубоко в область тени (arroz. 5 ).
altura do segmento de bola h para diferentes distâncias entre transmissor e receptor
| Distância, km | 1 | 5 | 10 | 50 | 100 | 500 | 1000 | 5000 |
| h, m | 0,03 | 0,78 | 3,1 | 78 | 310 | 7800 | 3.1´10 4 | 3,75´10 4 |
A superfície da Terra é heterogênea, o impacto mais significativo na Propagação de ondas de rádio fornecem as propriedades elétricas das seções da rota adjacentes ao transmissor e ao receptor. Se o caminho do rádio cruzar o litoral, ou seja, passar por terra e depois pelo mar (s ® ¥), ao cruzar o litoral, a intensidade do campo mudará drasticamente ( arroz. 6 ), ou seja, a amplitude e a direção da propagação da onda (refração costeira). No entanto, a refração costeira é uma perturbação local do campo de ondas de rádio que diminui com a distância da linha costeira.
A topografia da superfície terrestre também afeta Propagação de ondas de rádio Essa influência depende da razão entre a altura das irregularidades da superfície h, comprimento horizontal eu, l e o ângulo de incidência q da onda na superfície ( arroz. 7 ). Se as condições forem atendidas:
4p2 eu 2 sen 2 q/l 2 £ 1; 2 psi q<< 1, (2)
então as irregularidades são consideradas pequenas e suaves. Neste caso, eles têm pouco efeito sobre Propagação de ondas de rádioÀ medida que q aumenta, as condições (2) podem ser violadas. Nesse caso, a energia da onda é dissipada e a intensidade do campo na direção do feixe refletido diminui (ocorrem reflexões difusas).
Além disso, colinas altas, montanhas, etc., "perturbam" fortemente o campo, formando áreas sombreadas. A difração de ondas de rádio em cordilheiras às vezes leva à amplificação da onda devido à interferência de ondas diretas e refletidas da superfície da Terra ( arroz. oito ).
Propagação de ondas de rádio na troposfera. Refração de ondas de rádio. As ondas de rádio terrestres se propagam ao longo da superfície da Terra em troposfera. A condutividade da troposfera s para as frequências correspondentes às ondas de rádio (com exceção das ondas milimétricas) é praticamente 0; permissividade e e, portanto, o índice de refração n são funções da pressão e temperatura do ar, bem como da pressão de vapor d'água. Na superfície da terra n» 1.0003. Mudando e e n a altitude depende das condições meteorológicas. Normalmente e e n diminui, e a velocidade de fase u aumenta com a altura. Isso leva à curvatura dos feixes de rádio (refração das ondas de rádio, arroz. 9 ). Se uma onda se propaga na troposfera em um ângulo em relação ao horizonte, cuja frente coincide com uma linha reta ah (arroz. 9 ), então devido ao fato de que nas camadas superiores da troposfera a onda se propaga a uma velocidade maior do que nas camadas inferiores, a parte superior da frente de onda ultrapassa a inferior e a frente de onda gira (o feixe é dobrado) . T. a. n diminui com a altura, então os feixes de rádio são desviados para a Terra. Esse fenômeno, chamado de refração troposférica normal, contribui para Propagação de ondas de rádio além da linha de visão, tk. devido à refração, as ondas podem se curvar ao redor da protuberância da Terra. No entanto, na prática, esse efeito pode desempenhar um papel apenas para VHF, pois para comprimentos de onda mais longos, a curvatura devido à difração predomina. As condições meteorológicas podem enfraquecer ou aumentar a refração em comparação com o normal.
Guia de ondas troposférico. Sob certas condições (por exemplo, quando o ar aquecido se move da terra sobre a superfície do mar), a temperatura do ar não diminui com a altura, mas aumenta (inversões de temperatura). Nesse caso, a refração na troposfera pode se tornar tão forte que uma onda que surge em um pequeno ângulo em relação ao horizonte a uma certa altura mudará de direção para o oposto e retornará à Terra. Em um espaço limitado por baixo pela Terra e por cima por uma espécie de camada reflexiva da troposfera, uma onda pode se propagar por distâncias muito longas (propagação guiada de ondas de rádio). Assim como no metal guias de ondas de rádio , as ondas podem se propagar em guias de onda troposféricos, cujo comprimento é menor que o crítico (l cr » 0,085 d 3 / 2 , d- altura do guia de onda em m, eu cr dentro cm). A espessura das camadas de inversão na troposfera geralmente não excede ~ 50-100 m, portanto, apenas ondas decimétricas, centimétricas e mais curtas podem se propagar de forma guiada.
Dispersão de flutuação e. Além das mudanças regulares em e com a altura, existem inomogeneidades (flutuações) irregulares em e na troposfera, resultantes do movimento aleatório do ar. Eles espalham ondas de rádio VHF. Assim, uma região do espaço delimitada pelos diagramas de diretividade das antenas receptora e transmissora e contendo um grande número de inomogeneidades e é um volume de espalhamento. A dispersão leva a flutuações na amplitude e fase da onda de rádio, bem como à propagação de VHF em distâncias que excedem significativamente a linha de visão ( arroz. dez ). Neste caso, o campo no ponto de recepção NO formado como resultado da interferência de ondas espalhadas. Devido à interferência de um grande número de ondas espalhadas, ocorrem mudanças aleatórias na amplitude e na fase do sinal. No entanto, o valor médio da amplitude do sinal excede significativamente a amplitude que poderia ser devida à refração troposférica normal.
Absorção de ondas de rádio. A troposfera é transparente para todas as ondas de rádio até o centímetro. As ondas mais curtas são visivelmente atenuadas nas formações de gotas (chuva, granizo, neve, nevoeiro), no vapor de água e nos gases atmosféricos. O enfraquecimento é devido aos processos de absorção e dispersão. Cada gota de água tem uma condutividade significativa e a onda excita correntes de alta frequência nela. A densidade de corrente é proporcional à frequência, portanto, correntes significativas e, portanto, perdas de calor, ocorrem apenas durante a propagação de ondas centimétricas e mais curtas. Essas correntes causam não apenas perdas térmicas, mas são fontes de radiação espalhada secundária que atenua o sinal direto. A densidade do fluxo de energia espalhada é inversamente proporcional a l 4 se o tamanho da partícula espalhada d< l, e não depende de l se d>>l (ver dispersão de luz ). Praticamente por uma área de chuva forte ou neblina, ondas com l< 3cm não pode se espalhar. Ondas menores que 1,5 cm, além disso, experimenta absorção ressonante no vapor d'água (l = 1,5 cm; 1,35 cm; 0,75 cm; 0,5 cm; 0,25 cm) e oxigênio (l = 0,5 cm e 0,25 cm). A energia da propagação da onda é gasta neste caso na ionização ou excitação de átomos e moléculas. Existem regiões de baixa absorção entre as linhas de ressonância.
Propagação de ondas de rádio na ionosfera. NO ionosfera - multi componente plasma , localizado no campo magnético da Terra, o mecanismo Propagação de ondas de rádio mais difícil do que na troposfera. Sob a ação de uma onda de rádio na ionosfera, podem ocorrer oscilações forçadas de elétrons e íons e vários tipos de oscilações naturais coletivas (oscilações de plasma). Dependendo da frequência da onda de rádio w, um ou outro deles desempenha o papel principal e, portanto, as propriedades elétricas da ionosfera são diferentes para diferentes faixas de ondas de rádio. Em alta frequência w em Propagação de ondas de rádio apenas os elétrons participam, cuja frequência de oscilação natural (frequência de Langmuir) é igual a:
(3)
Onde e- carregar, m- peso, - concentração de elétrons. As oscilações forçadas dos elétrons livres da ionosfera, em contraste com os elétrons da troposfera, que estão intimamente associados aos átomos, ficam atrás do campo elétrico da onda de alta frequência em fase em quase 2p. Este deslocamento de elétrons aumenta o campo E ondas na ionosfera ( arroz. onze ). Portanto, a permissividade e, igual à razão entre a intensidade do campo externo e a intensidade do campo dentro do meio, acaba sendo para a ionosfera< 1: e = 1 - w 2 0 / w 2 . A contabilização de colisões de elétrons com átomos e íons fornece fórmulas mais precisas para e e s da ionosfera:
, 
(4)
onde n é o número de colisões por segundo.
Para altas frequências, a partir de ondas curtas, na maior parte da ionosfera, a relação é verdadeira: w 2 >> n 2 e índices de refração n e as absorções c são:
; (5)
À medida que a frequência aumenta, c diminui e n cresce, aproximando-se de 1. Porque n< 1, velocidade de fase de propagação de onda . A velocidade de propagação da energia (velocidade do grupo de ondas) na ionosfera é igual a Com× n e de acordo com teoria da relatividade menos Com.
Reflexão de ondas de rádio. Para uma onda com w< w 0 n e u tornam-se valores imaginários, o que significa que tal onda não pode se propagar na ionosfera. Como a concentração de elétrons e a frequência plasmática w 0 na ionosfera aumenta com a altura ( arroz. 12 ), então a onda incidente, penetrando na ionosfera, se propaga até um nível no qual o índice de refração desaparece. A esta altura, a onda é completamente refletida da camada ionosférica. À medida que a frequência aumenta, a onda incidente penetra mais profundamente na camada ionosférica. A frequência máxima da onda que é refletida da camada ionosférica durante a incidência vertical é chamada de frequência crítica da camada:
(6)
Frequência crítica da camada 2 (máximo principal, arroz. 12 ) varia durante o dia e de ano para ano aproximadamente de 5 a 10 MHz Para ondas com frequência w > w cr n em todos os lugares > 0, ou seja, a onda passa pela camada sem ser refletida.
Quando a onda incide obliquamente na ionosfera, a frequência máxima da onda que retorna à Terra é maior que wcr. Uma onda de rádio incidente na ionosfera em um ângulo j 0 , sofrendo refração, volta-se para a Terra na altura onde j( z) = p/2. A condição de reflexão para incidência oblíqua tem a forma: n(z) = sinj 0 . As frequências das ondas refletidas de uma determinada altura com incidência oblíqua e vertical são relacionadas pela relação: w inc = w vert secj 0. A frequência máxima de uma onda refletida da ionosfera em um determinado ângulo de incidência, ou seja, para um determinado comprimento do caminho, é chamado de frequência máxima utilizável (MCH).
Refração dupla. Impacto significativo sobre Propagação de ondas de rádio exerce o campo magnético da Terra 0 = 0,5 uh, penetrando na ionosfera. Em um campo magnético constante, um gás ionizado torna-se um meio anisotrópico. Uma onda entrando na ionosfera experimenta birrefringência , ou seja, divide-se em 2 ondas, que diferem na velocidade e direção de propagação, absorção e polarização. Em um campo magnético H 0 um elétron se movendo com uma velocidade u é afetado por força de Lorenz , sob a ação da qual o elétron gira com uma frequência (frequência giroscópica) em torno das linhas do campo magnético. Como resultado, a natureza das oscilações forçadas de elétrons ionosféricos sob a ação do campo elétrico da onda muda.
No caso mais simples, quando a direção Propagação de ondas de rádio perpendicular H 0 (E está no mesmo plano que H 0), uma onda pode ser representada como uma soma de 2 ondas com E^ H 0 e E|| H 0 . Para a primeira onda (extraordinária), a natureza do movimento dos elétrons e, conseqüentemente, n mudança, para o segundo (ordinário) eles permanecem os mesmos que na ausência de um campo magnético:
; (7)
No caso de uma direção arbitrária Propagação de ondas de rádio com relação ao campo magnético da Terra, as fórmulas são mais complexas: como n 1 e n 2 dependem de w H . Como a reflexão da onda de rádio vem da camada onde n= 0, então as ondas ordinárias e extraordinárias são refletidas em diferentes alturas. As frequências críticas para eles também são diferentes.
Como Propagação de ondas de rádio na ionosfera, devido à diferença de velocidade, acumula-se uma mudança de fase entre as ondas, pelo que a polarização da onda resultante muda continuamente. A polarização linear da onda incidente é preservada sob certas condições, mas o plano de polarização gira durante a propagação (ver Fig. Rotação do plano de polarização ). No caso geral, a polarização de ambas as ondas é elíptica.
Dispersão de ondas de rádio. Além da dependência regular da concentração de elétrons da altura ( arroz. 12 ), mudanças aleatórias de concentração ocorrem constantemente na ionosfera. A camada ionosférica contém um grande número de formações heterogêneas de vários tamanhos, que estão em constante movimento e mudança, dissolvendo-se e reaparecendo. Como resultado, além do sinal refletido principal, muitas ondas espalhadas chegam ao ponto receptor ( arroz. 13 ), cuja adição leva ao desbotamento - mudanças caóticas no sinal.
A existência de formações não homogêneas leva à possibilidade de reflexão dispersa de ondas de rádio em frequências muito superiores às frequências máximas de reflexão da ionosfera regular. Semelhante ao espalhamento em heterogeneidades da troposfera, esse fenômeno causa uma dispersão de longo alcance. Propagação de ondas de rádio(faixa de metros).
Formações não homogêneas características surgem na ionosfera após a intrusão nela meteoritos. Os elétrons emitidos por um meteorito quente ionizam o ambiente, formando uma trilha atrás do meteorito voador, cujo diâmetro aumenta rapidamente devido à difusão molecular. Trilhas ionizadas são criadas na faixa de altitude 80-120 km, a duração de sua existência varia de 0,1 a 100 seg. As ondas de rádio são refletidas especularmente pela trilha do meteoro. A eficiência desse processo depende da massa do meteorito.
efeitos não lineares. Para sinais de potência não muito alta, duas ondas de rádio se propagam pela mesma região da ionosfera independentemente uma da outra (ver Fig. Princípio da superposição ), a ionosfera é um meio linear. Para ondas de rádio potentes, quando o campo E ondas é comparável ao característico "campo de plasma" E p da ionosfera, e e s começam a depender da intensidade do campo da onda em propagação. A relação linear entre a corrente elétrica e o campo é quebrada E.
A não linearidade da ionosfera pode se manifestar na forma de modulação cruzada de 2 sinais ( Luxemburgo - Efeito Gorky ) e na “autoação” de uma onda poderosa, por exemplo, em uma mudança na profundidade de modulação de um sinal refletido da ionosfera.
Características da propagação de ondas de rádio de diferentes alcances na ionosfera. A partir do VHF, as ondas cuja frequência é superior à frequência máxima utilizável (MUF) passam pela ionosfera. As ondas cuja frequência está abaixo do MUF, refletidas na ionosfera, retornam à Terra. Essas ondas de rádio são chamadas de ionosféricas e são usadas para comunicações de rádio de longo alcance na Terra. A gama de ondas ionosféricas abaixo na frequência é limitada pela absorção. Portanto, a comunicação por meio de ondas ionosféricas é realizada na faixa de ondas curtas e à noite (diminuição da absorção) na faixa de ondas médias. Variar Propagação de ondas de rádio com uma reflexão da ionosfera ~ 3500-4000 km, Porque o ângulo de incidência j na ionosfera é limitado devido à convexidade da Terra: o feixe mais suave toca a superfície da Terra ( arroz. quatorze ). A comunicação a longas distâncias é realizada devido a várias reflexões da ionosfera ( arroz. quinze ).
Ondas longas e extralongas praticamente não penetram na ionosfera, refletindo de seu limite inferior, que é, por assim dizer, a parede de um guia de ondas de rádio esférico (a Terra serve como a segunda parede do guia de ondas). As ondas emitidas por uma antena em um determinado ponto da Terra giram em torno dela em todas as direções e convergem no lado oposto. A adição de ondas causa um leve aumento na intensidade do campo no ponto oposto (o efeito do antípoda, arroz. 16 ).
Ondas de rádio de frequências sonoras podem ser filtradas através da ionosfera ao longo das linhas de força do campo magnético da Terra. Propagando-se ao longo de uma linha de campo magnético, a onda percorre uma distância igual a vários raios da Terra e depois retorna a um ponto conjugado localizado no outro hemisfério ( arroz. 17 ). Descargas de raios na troposfera são a fonte de tais ondas. Propagando-se da maneira descrita, eles criam um sinal com um assobio característico na entrada do receptor (assobio atmosférico ).
Para ondas de rádio de frequências infrassônicas, cuja frequência é menor que a frequência giroscópica dos íons, a ionosfera se comporta como um fluido neutro condutor, cujo movimento é descrito pelas equações hidrodinâmica.
Devido à presença do campo magnético da Terra, qualquer deslocamento de uma substância condutora que crie uma corrente elétrica é acompanhado pelo surgimento de forças de Lorentz que alteram o estado de movimento. A interação entre forças mecânicas e eletromagnéticas leva ao movimento de um movimento gerado aleatoriamente em um gás ionizado ao longo das linhas do campo magnético, ou seja, ao aparecimento de ondas magnetohidrodinâmicas (Alfvén) que se propagam ao longo das linhas do campo magnético com uma velocidade 
4,5×10 4 m/segundo(r é a densidade do gás ionizado).
Comunicação de rádio espacial. Quando um dos correspondentes está na Terra, a faixa de comprimentos de onda adequados para comunicação com um objeto espacial é determinada pelas condições de passagem pela atmosfera terrestre. Como as ondas de rádio, cuja frequência< МПЧ (5-30 MHz), não atravessam a ionosfera e ondas com frequência > 6-10 GHz são absorvidos na troposfera, então as ondas de um objeto espacial podem ser recebidas na Terra em frequências de ~ 30 MHz para 10 GHz No entanto, mesmo nessa faixa, a atmosfera da Terra não é totalmente transparente às ondas de rádio. A rotação do plano de polarização ao passar pela ionosfera quando recebida em uma antena convencional leva a perdas que diminuem com o aumento da frequência. Apenas em frequências > 3 GHz eles podem ser negligenciados arroz. dezoito ). Essas condições determinam o alcance das ondas de rádio para comunicação de longa distância em VHF ao usar satélites.
Para se comunicar com objetos localizados em outros planetas, a absorção na atmosfera desses planetas também deve ser levada em consideração. Ao se comunicar entre duas espaçonaves fora da atmosfera dos planetas, as ondas milimétricas e de luz adquirem um significado especial, proporcionando a maior capacidade de canais de comunicação (ver Fig. comunicação óptica ). Detalhes do processo Propagação de ondas de rádio no espaço sideral dá radioastronomia .
Radiocomunicação subterrânea e subaquática. A crosta terrestre, assim como as águas dos mares e oceanos, são condutivas e absorvem fortemente as ondas de rádio. Para rochas sedimentares na camada superficial da crosta terrestre s » 10 -3 -10 -2 ohm -1 m -1 . Nesses meios, a onda praticamente se atenua a uma distância £ l. Além disso, para meios com grande s, o coeficiente de absorção aumenta com o aumento da frequência. Portanto, para comunicação de rádio subterrânea, são usadas principalmente ondas longas e ultralongas. Na comunicação subaquática, juntamente com as ondas ultralongas, são usadas ondas de alcance óptico.
Em sistemas de comunicação entre pontos subterrâneos ou subaquáticos, pode-se utilizar a propagação parcial ao longo da superfície da Terra ou do mar. Uma onda polarizada verticalmente excitada por uma antena transmissora subterrânea se propaga para a superfície da Terra, é refratada na interface entre a Terra e a atmosfera, se propaga ao longo da superfície da Terra e então é recebida por uma antena receptora subterrânea ( arroz. 19 ). A profundidade de imersão das antenas atinge dezenas m. Sistemas deste tipo fornecem um alcance de até várias centenas km e são usados, por exemplo, para comunicação entre pontos de controle subterrâneos ao lançar mísseis. Outros tipos de sistemas utilizam guias de ondas subterrâneos - camadas da crosta terrestre que possuem baixa condutividade e, conseqüentemente, baixas perdas. Essas raças incluem sal-gema , potassa, etc. Estas rochas ocorrem em profundidades de até centenas m e fornecer alcance Propagação de ondas de rádio até várias dezenas km. Um desenvolvimento adicional dessa direção é o uso de rochas duras (granitos, gnaisses, basaltos, etc.) localizadas em grandes profundidades e com baixa condutividade ( arroz. vinte ). A uma profundidade de 3-7 km s pode diminuir para 10 -11 ohm -1 m -1 . Com um aumento adicional na profundidade, devido ao aumento da temperatura, a ionização é criada (ionosfera invertida) e a condutividade aumenta. Um guia de ondas subterrâneo com uma espessura de vários km, em que é possível Propagação de ondas de rádio a uma distância de vários milhares km. Um dos principais problemas das comunicações subterrâneas e subaquáticas é o cálculo da radiação e transferência de energia de antenas , localizado em um meio condutor.
A vantagem dos sistemas de comunicação subterrâneos é sua independência de tempestades, furacões e destruição artificial na superfície da Terra. Além disso, devido ao efeito de blindagem das rochas sedimentares condutoras superiores, os sistemas de comunicação subterrânea têm alta imunidade a ruídos industriais e atmosféricos.
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Arroz. 19. Sistema de comunicação subterrânea com propagação parcial de ondas de rádio ao longo da superfície terrestre. As ondas secundárias são representadas condicionalmente.
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Faixa de frequência de rádio e seu uso para comunicações de rádio
2.1 Fundamentos da propagação de ondas de rádio
A comunicação por rádio fornece a transmissão de informações à distância usando ondas eletromagnéticas (ondas de rádio).
ondas de rádio- são oscilações eletromagnéticas que se propagam no espaço à velocidade da luz (300.000 km / s). A propósito, a luz também se refere a ondas eletromagnéticas, o que determina suas propriedades muito semelhantes (reflexão, refração, atenuação, etc.).
As ondas de rádio transportam pelo espaço a energia emitida pelo gerador de oscilações eletromagnéticas. E nascem quando o campo elétrico muda, por exemplo, quando uma corrente elétrica alternada passa pelo condutor ou quando faíscas saltam pelo espaço, ou seja, uma série de pulsos de corrente rápidos e sucessivos.
Arroz. 2.1 A estrutura de uma onda eletromagnética.
A radiação eletromagnética é caracterizada pela frequência, comprimento de onda e a potência da energia transferida. A frequência das ondas eletromagnéticas mostra quantas vezes por segundo muda a direção da corrente elétrica no emissor e, portanto, quantas vezes por segundo muda a magnitude dos campos elétrico e magnético em cada ponto do espaço.
A frequência é medida em hertz (Hz) - unidades com o nome do grande cientista alemão Heinrich Rudolf Hertz. 1Hz é um ciclo por segundo, 1 Megahertz (MHz) é um milhão de ciclos por segundo. Sabendo que a velocidade das ondas eletromagnéticas é igual à velocidade da luz, é possível determinar a distância entre pontos no espaço onde o campo elétrico (ou magnético) está na mesma fase. Essa distância é chamada de comprimento de onda.
O comprimento de onda (em metros) é calculado pela fórmula:
, ou sobre
onde f é a frequência da radiação eletromagnética em MHz.
Pode-se ver na fórmula que, por exemplo, uma frequência de 1 MHz corresponde a um comprimento de onda de cerca de 300 m.Com o aumento da frequência, o comprimento de onda diminui e, com a diminuição, aumenta.
As ondas eletromagnéticas passam livremente pelo ar ou pelo espaço exterior (vácuo). Mas se um fio de metal, uma antena ou qualquer outro corpo condutor for encontrado no caminho da onda, eles cederão sua energia a ela, causando assim uma corrente elétrica alternada nesse condutor. Mas nem toda a energia das ondas é absorvida pelo condutor, parte dela é refletida da superfície. A propósito, o uso de ondas eletromagnéticas no radar é baseado nisso.
Outra propriedade útil das ondas eletromagnéticas (no entanto, como qualquer outra onda) é sua capacidade de se curvar ao redor dos corpos em seu caminho. Mas isso só é possível se as dimensões do corpo forem menores que o comprimento de onda ou comparáveis a ele. Por exemplo, para detectar uma aeronave, o comprimento da onda de rádio do localizador deve ser menor que suas dimensões geométricas (menos de 10m). Se o corpo for maior que o comprimento de onda, ele pode refleti-lo. Mas pode não refletir - lembre-se de "Stealth".
A energia transportada pelas ondas eletromagnéticas depende da potência do gerador (emissor) e da distância até ele, ou seja, o fluxo de energia por unidade de área é diretamente proporcional à potência de radiação e inversamente proporcional ao quadrado da distância ao emissor. Isso significa que o alcance da comunicação depende da potência do transmissor, mas muito mais da distância até ele.
Por exemplo, o fluxo de energia da radiação eletromagnética do Sol para a superfície da Terra atinge 1 quilowatt por metro quadrado, e o fluxo de energia de uma estação de rádio de transmissão de ondas médias é de apenas milésimos e até milionésimos de watt por metro quadrado.
2.2 Alocação do espectro de rádio
As ondas de rádio (frequências de rádio) usadas na engenharia de rádio ocupam o espectro de 10.000 m (30 kHz) a 0,1 mm (3.000 GHz). Isso é apenas parte do vasto espectro de ondas eletromagnéticas. Ondas de rádio (em comprimento descendente) são seguidas por raios térmicos ou infravermelhos. Depois deles vem uma seção estreita de ondas de luz visível, depois um espectro de ultravioleta, raios-x e raios gama - tudo isso são oscilações eletromagnéticas da mesma natureza, diferindo apenas no comprimento de onda e, portanto, na frequência.
Embora todo o espectro seja dividido em regiões, os limites entre elas são delineados condicionalmente. As regiões seguem continuamente uma após a outra, passam uma na outra e, em alguns casos, se sobrepõem.
Mas estas gamas são muito extensas e, por sua vez, estão divididas em secções, que incluem as chamadas gamas de radiodifusão e televisão, gamas para comunicações terrestres e aeronáuticas, espaciais e marítimas, para transmissão de dados e medicina, para radar e radionavegação, etc. Cada serviço de rádio tem sua própria seção de alcance ou frequências fixas. Na realidade, para fins de comunicação por rádio, são utilizadas oscilações na faixa de frequência de 10 kHz a 100 GHz. O uso de um ou outro intervalo de frequência para comunicação depende de muitos fatores, em particular, das condições de propagação das ondas de rádio de diferentes faixas, da faixa de comunicação necessária, da viabilidade dos valores de potência do transmissor no intervalo de frequência selecionado, etc.
Por acordos internacionais, todo o espectro de ondas de rádio usadas nas comunicações de rádio é dividido em faixas (Tabela 1):
tabela 1
| Não. p.p. | Nome do intervalo | Limites de alcance | |||
| Ondas | Termos obsoletos | frequências | ondas de rádio | frequências | |
| 1 | DKMGMVDekaMega Meter | Frequências extremamente baixas (ELF) | 100.000-10.000km | 3-30 Hz | |
| 2 | MGMMMVMegameter | Frequências extra baixas (VLF) | 10.000-1.000km | 30-3.000 Hz | |
| 3 | GCMMVHektaquilômetro | Frequências infra-baixas (INF) | 1.000-100 km | 0,3-3 kHz | |
| 4 | MRVMiriameter | ADICIONAR | Frequências muito baixas (VLF) VLF | 100-10 km | 3-30kHz |
| 5 | KMVquilômetro | DV | Baixas frequências (LF) LF | 10-1 km | 30-300kHz |
| 6 | GCMWHectâmetro | SO | Frequências médias (MF) VF | 1000-100m | 0,3-3 MHz |
| 7 | DKMV Decâmetro | HF | Altas frequências (HF) HF | 100-10m | 3-30 MHz |
| 8 | MWMeter | VHF | Frequência Muito Alta (VHF) VHF | 10-1m | 30-300 MHz |
| 9 | DCMVDecímetro | VHF | Ultra alta frequência (UHF) UHF | 10-1 dm | 0,3-3 GHz |
| 10 | SMVS centímetro | VHF | Frequências ultra altas (SHF) SHF | 10-1 cm | 3-30 GHz |
| 11 | MMVMmilímetro | VHF | Frequências extremamente altas (EHF) EHF | 10-1 mm | 30-300 GHz |
| 12 | DCMMWDecimilli- metro Submili- metro |
SOMA | Frequências hiperaltas (HHF) | 1-0,1 mm | 0,3-3 THz |
| 13 | leve | < 0,1 мм | > 3 THz | ||
Arroz. 2.2 Um exemplo de alocação de espectro entre diferentes serviços.
As ondas de rádio são irradiadas através de uma antena para o espaço e se propagam na forma de energia de campo eletromagnético. E embora a natureza das ondas de rádio seja a mesma, sua capacidade de se propagar depende fortemente do comprimento de onda.
O solo para ondas de rádio é um condutor de eletricidade (embora não muito bom). Passando pela superfície da terra, as ondas de rádio enfraquecem gradualmente. Isso se deve ao fato de as ondas eletromagnéticas excitarem correntes elétricas na superfície da Terra, para as quais parte da energia é gasta. Aqueles. a energia é absorvida pela terra e, quanto mais, menor o comprimento de onda (maior a frequência).
Além disso, a energia das ondas enfraquece também porque a radiação se propaga em todas as direções do espaço e, portanto, quanto mais longe o receptor estiver do transmissor, menos energia por unidade de área e menos ela entra na antena.
As transmissões de estações de transmissão de ondas longas podem ser recebidas a distâncias de até vários milhares de quilômetros, e o nível do sinal diminui suavemente, sem saltos. As estações de ondas médias são audíveis em um raio de mil quilômetros. Quanto às ondas curtas, sua energia diminui acentuadamente com a distância do transmissor. Isso explica o fato de que, no início do desenvolvimento do rádio, as ondas de 1 a 30 km eram usadas principalmente para comunicação. Ondas menores que 100 metros eram geralmente consideradas inadequadas para comunicações de longa distância.
No entanto, estudos posteriores de ondas curtas e ultracurtas mostraram que elas decaem rapidamente quando viajam perto da superfície da Terra. Quando a radiação é direcionada para cima, as ondas curtas voltam.
Em 1902, o matemático inglês Oliver Heaviside e o engenheiro elétrico americano Arthur Edwin Kennelly quase simultaneamente previram que existe uma camada ionizada de ar acima da Terra - um espelho natural que reflete ondas eletromagnéticas. Esta camada foi nomeada ionosfera.
A ionosfera da Terra deveria permitir aumentar o alcance de propagação das ondas de rádio a distâncias superiores à linha de visão. Esta suposição foi provada experimentalmente em 1923. Os pulsos de RF foram transmitidos verticalmente para cima e os sinais de retorno foram recebidos. Medições do tempo entre o envio e o recebimento dos pulsos possibilitaram determinar a altura e o número de camadas de reflexão.
2.3 Influência da atmosfera na propagação das ondas de rádio
A natureza da propagação das ondas de rádio depende do comprimento de onda, da curvatura da Terra, do solo, da composição da atmosfera, da hora do dia e do ano, do estado da ionosfera, do campo magnético da Terra, das condições meteorológicas.
Considere a estrutura da atmosfera, que tem um impacto significativo na propagação das ondas de rádio. Dependendo da hora do dia e do ano, o teor de umidade e a densidade do ar mudam.
O ar que envolve a superfície da Terra forma uma atmosfera, cuja altura é de aproximadamente 1.000-2.000 km. A composição da atmosfera terrestre não é uniforme.
Arroz. 2.3 A estrutura da atmosfera.
Camadas atmosféricas de até cerca de 100-130 km de altura são homogêneas em composição. Nessas camadas existe ar contendo (em volume) 78% de nitrogênio e 21% de oxigênio. A camada inferior da atmosfera com uma espessura de 10-15 km (Fig. 2.3) é chamada troposfera. Essa camada contém vapor d'água, cujo conteúdo varia acentuadamente com as mudanças nas condições meteorológicas.
A troposfera gradualmente se transforma em estratosfera. O limite é a altura em que a queda de temperatura para.
Em altitudes de aproximadamente 60 km e acima da Terra, sob a influência dos raios solares e cósmicos, ocorre a ionização do ar na atmosfera: alguns dos átomos decaem em elétrons e íons. Nas camadas superiores da atmosfera, a ionização é desprezível, pois o gás é muito rarefeito (há um pequeno número de moléculas por unidade de volume). À medida que os raios solares penetram nas camadas mais densas da atmosfera, o grau de ionização aumenta. À medida que nos aproximamos da Terra, a energia dos raios solares diminui e o grau de ionização diminui novamente. Além disso, nas camadas mais baixas da atmosfera, devido à alta densidade, cargas negativas não podem existir por muito tempo; ocorre o processo de restauração de moléculas neutras.
A ionização em uma atmosfera rarefeita em altitudes de 60 a 80 km da Terra e acima persiste por muito tempo. Nessas altitudes, a atmosfera é muito rarefeita, a densidade de elétrons e íons livres é tão baixa que a colisão e, portanto, a recuperação de átomos neutros é relativamente rara.
A camada superior da atmosfera é chamada de ionosfera. O ar ionizado tem um efeito significativo na propagação das ondas de rádio.
Durante o dia, quatro camadas regulares ou máximas de ionização são formadas - camadas D, E, F 1 e F 2. A camada F 2 tem a maior ionização (o maior número de elétrons livres por unidade de volume).
Após o pôr do sol, a radiação ionizante cai drasticamente. Há uma restauração de moléculas e átomos neutros, o que leva a uma diminuição do grau de ionização. Camadas desaparecem completamente à noite D e F 2, ionização de camada E diminui significativamente e F 2 retém a ionização com alguma atenuação.
Arroz. 2.4 Dependência da propagação das ondas de rádio na frequência e hora do dia.
A altura das camadas da ionosfera muda o tempo todo, dependendo da intensidade dos raios solares. Durante o dia, a altura das camadas ionizadas é menor, à noite é maior. No verão, em nossas latitudes, a densidade eletrônica das camadas ionizadas é maior que no inverno (com exceção da camada F 2). O grau de ionização também depende do nível de atividade solar, que é determinado pelo número de manchas solares. O período de atividade solar é de aproximadamente 11 anos.
Nas latitudes polares observam-se processos de ionização irregulares associados aos chamados distúrbios ionosféricos.
Existem várias maneiras pelas quais uma onda de rádio chega a uma antena receptora. Como já observado, as ondas de rádio que se propagam acima da superfície terrestre e a envolvem devido ao fenômeno da difração são chamadas de ondas superficiais ou terrestres (direção 1, Fig. 2.5). As ondas que se propagam nas direções 2 e 3 são chamadas espacial. Eles são divididos em ionosféricos e troposféricos. Estes últimos são observados apenas na banda VHF. ionosférico chamadas de ondas refletidas ou espalhadas pela ionosfera, troposférico‒ ondas refletidas ou espalhadas por camadas não homogêneas ou "grãos" da troposfera.
Arroz. 2.5 Formas de propagação das ondas de rádio.
onda de superfície a base de sua frente toca a Terra, como mostrado na Fig. 2.6. Esta onda com fonte pontual tem sempre uma polarização vertical, uma vez que a componente horizontal da onda é absorvida pela Terra. Com uma distância suficiente da fonte, expressa em comprimentos de onda, qualquer segmento da frente de onda é uma onda plana.
A superfície da Terra absorve parte da energia das ondas superficiais que se propagam ao longo dela, pois a Terra possui resistência ativa.
Arroz. 2.6 Propagação de ondas de superfície.
Quanto mais curta a onda, ou seja, quanto maior a frequência, mais corrente é induzida na terra e maior a perda. As perdas na Terra diminuem com o aumento da condutividade do solo, uma vez que as ondas penetram menos na Terra, maior a condutividade do solo. Perdas dielétricas também ocorrem na Terra, que também aumentam com o encurtamento das ondas.
Para frequências acima de 1 MHz, a onda terrestre é fortemente atenuada devido à absorção pela Terra e, portanto, não é usada exceto na área de cobertura local. Nas frequências de televisão, a atenuação é tão grande que a onda de superfície pode ser usada a distâncias não superiores a 1-2 km do transmissor.
A comunicação a longas distâncias é realizada principalmente por ondas espaciais.
Para obter refração, ou seja, o retorno de uma onda para a Terra, a onda deve ser emitida em um determinado ângulo em relação à superfície da Terra. O maior ângulo de radiação em que uma onda de rádio de uma determinada frequência retorna à Terra é chamado ângulo crítico para uma dada camada ionizada (Fig. 2.7). 
Arroz. 2.7 Influência do ângulo de radiação na passagem de uma onda celeste.
Cada camada ionizada tem sua própria frequência crítica e ângulo crítico.
Na fig. 2.7 mostra um feixe que é facilmente refratado por uma camada E, já que o feixe entra em um ângulo abaixo do ângulo crítico desta camada. Feixe 3 passa pela área E, mas retorna à Terra em uma camada F 2 porque entra em um ângulo abaixo do ângulo crítico da camada F 2. O feixe 4 também passa pela camada E. Ele entra na camada F 2 em seu ângulo crítico e retorna à Terra. O feixe 5 passa por ambas as áreas e se perde no espaço.
Todos os raios mostrados na Fig. 2.7 referem-se à mesma frequência. Se for utilizada uma frequência mais baixa, são necessários ângulos críticos maiores para ambas as regiões; inversamente, se a frequência aumenta, ambas as regiões têm ângulos críticos menores. Se continuarmos a aumentar a frequência, chegará um momento em que a onda que se propaga do transmissor paralelo à Terra excederá o ângulo crítico para qualquer área. Este estado é obtido a uma frequência de cerca de 30 MHz. Acima dessa frequência, a comunicação das ondas do céu torna-se não confiável.
Assim, cada frequência crítica tem seu próprio ângulo crítico e vice-versa, cada ângulo crítico tem sua própria frequência crítica. Portanto, qualquer onda do céu cuja frequência seja igual ou inferior à crítica retornará à Terra a uma certa distância do transmissor.
Na fig. 2.7 o feixe 2 cai na camada E em um ângulo crítico. Observe onde a onda refletida atinge a Terra (o sinal é perdido se o ângulo crítico for excedido); a onda espacial, tendo atingido a camada ionizada, é refletida a partir dela e retorna à Terra a uma grande distância do transmissor. A alguma distância do transmissor, dependendo da potência do transmissor e do comprimento de onda, é possível receber uma onda de superfície. Do local onde termina a recepção da onda de superfície, o zona de silêncio e termina onde a onda espacial refletida aparece. Eles não têm um limite nítido da zona de silêncio.
Arroz. 2.8 Áreas de recepção de ondas superficiais e espaciais.
À medida que a frequência aumenta, o valor zona morta aumenta devido a uma diminuição no ângulo crítico. Para se comunicar com um correspondente a uma certa distância do transmissor em determinados horários do dia e estações do ano, há frequência máxima permitida, que pode ser usado para comunicação de ondas espaciais. Cada região ionosférica tem sua própria frequência máxima permitida para comunicação.
Ondas curtas e, principalmente, ultracurtas na ionosfera perdem uma parte insignificante de sua energia. Quanto maior a frequência, mais curto é o caminho que os elétrons percorrem durante suas oscilações, como resultado do qual o número de suas colisões com as moléculas diminui, ou seja, a perda de energia das ondas diminui.
Em camadas ionizadas mais baixas, as perdas são maiores, pois maior pressão indica maior densidade de gás, e com maior densidade de gás, a probabilidade de colisão de partículas aumenta.
Ondas longas são refletidas das camadas inferiores da ionosfera, que têm a menor concentração de elétrons, em qualquer ângulo de elevação, incluindo aqueles próximos a 90°. O solo de umidade média é quase um condutor de ondas longas, então elas são bem refletidas da Terra. Múltiplas reflexões da ionosfera e da Terra explicam a propagação de longo alcance de ondas longas.
Propagação de ondas longas independe da estação e das condições meteorológicas, do período de atividade solar e das perturbações ionosféricas. Quando refletidas da ionosfera, as ondas longas sofrem uma grande absorção. É por isso que é necessário ter transmissores de alta potência para se comunicar a longas distâncias.
ondas médias são visivelmente absorvidos na ionosfera e solos de baixa e média condutividade. Durante o dia, apenas uma onda de superfície é observada, já que uma onda do céu (mais de 300 m) é quase totalmente absorvida na ionosfera. Para a reflexão interna total, as ondas médias devem percorrer um determinado caminho nas camadas inferiores da ionosfera, que, embora tenham uma baixa concentração de elétrons, possuem uma densidade de ar significativa.
À noite, com o desaparecimento da camada D, a absorção na ionosfera diminui, pelo que a comunicação pode ser mantida nas ondas do céu a distâncias de 1500-2000 km com uma potência de transmissão de cerca de 1 kW. As condições de comunicação no inverno são um pouco melhores do que no verão.
A vantagem das ondas médiasé que eles não são afetados por distúrbios ionosféricos.
De acordo com um acordo internacional, os sinais de socorro (sinais SOS) são transmitidos em ondas de cerca de 600 m.
O lado positivo da comunicação por ondas do céu em ondas curtas e médias é a possibilidade de comunicação de longa distância com uma baixa potência do transmissor. Mas comunicação de onda espacial tem e deficiências significativas.
Primeiramente, instabilidade de comunicação devido a mudanças na altura das camadas ionizadas da atmosfera durante o dia e o ano. Para manter a comunicação com o mesmo ponto por dia, você deve alterar o comprimento de onda 2 a 3 vezes. Freqüentemente, devido a uma mudança no estado da atmosfera, a comunicação é completamente interrompida por algum tempo.
em segundo lugar, a presença de uma zona de silêncio.
Ondas menores que 25 m são chamadas de "ondas diurnas", pois se propagam bem durante o dia. "Ondas noturnas" incluem ondas com mais de 40 m. Essas ondas se propagam bem à noite.
As condições de propagação de ondas curtas de rádio são determinadas pelo estado da camada ionizada Fg. A concentração de elétrons dessa camada é frequentemente perturbada devido à radiação solar desigual, que causa distúrbios ionosféricos e tempestades magnéticas. Como resultado, a energia das ondas de rádio curtas é significativamente absorvida, o que prejudica a comunicação por rádio, às vezes tornando-a completamente impossível. Com frequência, distúrbios ionosféricos são observados em latitudes próximas aos pólos. Portanto, a comunicação por ondas curtas não é confiável lá.
Mais notável distúrbios ionosféricos têm uma periodicidade própria: repetem-se 27 dias(tempo de rotação do sol em torno de seu eixo).
Na faixa de ondas curtas, a influência da interferência industrial, atmosférica e mútua é fortemente afetada.
Frequências de comunicação ideais em ondas curtas são selecionados com base em previsões de rádio, que são divididas em longo prazo e curto prazo. As previsões de longo prazo indicam o estado médio esperado da ionosfera para um determinado período de tempo (mês, estação, ano ou mais), enquanto as previsões de curto prazo são feitas para um dia, cinco dias e caracterizam possíveis desvios da ionosfera de seu estado médio. As previsões são feitas na forma de gráficos como resultado do processamento de observações sistemáticas da ionosfera, da atividade solar e do estado do magnetismo terrestre.
ondas ultracurtas(VHF) não são refletidos da ionosfera, eles passam livremente, ou seja, essas ondas não possuem uma onda ionosférica espacial. A onda ultracurta de superfície, na qual a comunicação por rádio é possível, tem duas desvantagens significativas: em primeiro lugar, a onda de superfície não contorna a superfície da Terra e grandes obstáculos e, em segundo lugar, é fortemente absorvida pelo solo.
As ondas ultracurtas são amplamente utilizadas onde é necessário um pequeno raio da estação de rádio (a comunicação geralmente é limitada à linha de visada). Nesse caso, a comunicação é realizada por uma onda troposférica espacial. Geralmente consiste em dois componentes: um feixe direto e um feixe refletido da Terra (Fig. 2.9).
Arroz. 2.9 Feixes diretos e refletidos de uma onda celeste.
Se as antenas estiverem próximas o suficiente, ambos os feixes geralmente atingem a antena receptora, mas sua intensidade é diferente. O feixe refletido da Terra é mais fraco devido às perdas que ocorrem durante a reflexão da Terra. Um feixe direto tem quase a mesma atenuação que uma onda no espaço livre. Na antena receptora, o sinal total é igual à soma vetorial desses dois componentes.
As antenas receptora e transmissora geralmente têm a mesma altura, de modo que o comprimento do caminho do feixe refletido é ligeiramente diferente do feixe direto. A onda refletida tem um deslocamento de fase de 180°. Assim, desprezando as perdas na Terra durante a reflexão, se dois feixes percorreram a mesma distância, sua soma vetorial é zero, portanto não haverá sinal na antena receptora.
Na realidade, o feixe refletido percorre uma distância ligeiramente maior, de modo que a diferença de fase na antena receptora será de cerca de 180°. A diferença de fase é definida pela diferença de caminho em termos de comprimento de onda, não em unidades lineares. Em outras palavras, o sinal total recebido nessas condições depende principalmente da frequência utilizada. Por exemplo, se o comprimento de onda operacional for 360 m e a diferença de caminho for 2 m, o deslocamento de fase será diferente de 180° em apenas 2°. Como resultado, há uma quase total ausência de sinal na antena receptora. Se o comprimento de onda for de 4 m, a mesma diferença de caminho de 2 m causará uma diferença de fase de 180°, compensando totalmente a mudança de fase de 180° na reflexão. Neste caso, o sinal é duplicado em tensão.
Segue-se que em baixas frequências o uso de ondas do céu não é interessante para comunicação. Somente em altas frequências, onde a diferença de caminho é compatível com o comprimento de onda usado, a onda do céu é amplamente usada.
O alcance dos transmissores VHF aumenta significativamente quando as aeronaves são conectadas no ar e com a Terra.
Para vantagens do VHF deve incluir a possibilidade de usar pequenas antenas. Além disso, um grande número de estações de rádio pode operar simultaneamente na banda VHF sem interferência mútua. Na seção da faixa de comprimento de onda de 10 a 1 m, mais estações de operação simultânea podem ser colocadas do que na faixa de ondas curtas, médias e longas combinadas.
As linhas de retransmissão operando em VHF se espalharam. Entre dois pontos de comunicação localizados a uma grande distância, vários transceptores VHF são instalados, localizados dentro da linha de visão um do outro. Estações intermediárias operam automaticamente. A organização das linhas de retransmissão permite aumentar o alcance da comunicação em VHF e realizar comunicação multicanal (para realizar várias transmissões telefônicas e telégrafas simultaneamente).
Agora muita atenção é dada ao uso da banda VHF para comunicações de rádio de longa distância.
As linhas de comunicação operando na faixa de 20-80 MHz e usando os fenômenos de espalhamento ionosférico receberam a maior aplicação. Acreditava-se que a comunicação de rádio através da ionosfera só era possível em frequências abaixo de 30 MHz (comprimento de onda superior a 10 m), e como essa faixa está totalmente carregada e é impossível aumentar ainda mais o número de canais, o interesse em dispersão propagação de ondas de rádio é bastante compreensível.
Este fenômeno consiste no fato de que parte da energia da radiação de micro-ondas é espalhada pelas inomogeneidades presentes na ionosfera. Essas inomogeneidades são criadas por correntes de ar de camadas com diferentes temperaturas e umidade, partículas carregadas errantes, produtos de ionização de caudas de meteoritos e outras fontes ainda pouco estudadas. Como a troposfera é sempre não homogênea, a refração dispersa das ondas de rádio existe sistematicamente.
A propagação dispersa de ondas de rádio é como a dispersão de um holofote em uma noite escura. Quanto mais poderoso o feixe de luz, mais luz espalhada ele dá.
ao estudar longo alcance ondas ultracurtas, foi notado o fenômeno de um aumento acentuado de curto prazo na audibilidade dos sinais. Essas rajadas de natureza aleatória duram de alguns milissegundos a vários segundos. No entanto, na prática são observadas durante o dia com interrupções que raramente ultrapassam alguns segundos. O aparecimento de momentos de alta audibilidade se deve principalmente ao reflexo das ondas de rádio das camadas ionizadas de meteoritos que queimam a uma altitude de cerca de 100 km. O diâmetro desses meteoritos não ultrapassa alguns milímetros e seus vestígios se estendem por vários quilômetros.
A partir de trilhas de meteoros as ondas de rádio com frequência de 50-30 MHz (6-10 m) são bem refletidas.
Todos os dias, vários bilhões desses meteoritos voam para a atmosfera da Terra, deixando para trás rastros ionizados com alta densidade de ionização do ar. Isso torna possível obter uma operação confiável de links de rádio de longo alcance ao usar transmissores de potência relativamente baixa. Uma parte integrante das estações nessas linhas é o equipamento auxiliar de impressão direta equipado com um elemento de memória.
Como cada rastro de meteoro dura apenas alguns segundos, a transmissão é automática em rajadas curtas.
Atualmente, as comunicações e transmissões de televisão via satélites artificiais da Terra são amplamente utilizadas.
Assim, de acordo com o mecanismo de propagação das ondas de rádio, as linhas de comunicação de rádio podem ser classificadas em linhas usando:
o processo de propagação de ondas de rádio ao longo da superfície terrestre com um envelope ao seu redor (o chamado terrestre ou ondas de superfície).
o processo de propagação de ondas de rádio dentro da linha de visão ( direto ondas);
reflexão das ondas de rádio da ionosfera ( ionosférico ondas);
o processo de propagação de ondas de rádio na troposfera ( troposférico ondas);
reflexão de ondas de rádio de rastros de meteoros;
reflexão ou retransmissão de satélites terrestres artificiais;
reflexão de formações de plasma de gás criadas artificialmente ou superfícies condutoras criadas artificialmente.
2.4 Características da propagação de ondas de rádio de vários alcances
As condições de propagação das ondas de rádio no espaço entre o transmissor e o receptor de rádio dos correspondentes são influenciadas pela condutividade finita da superfície terrestre e pelas propriedades do meio acima da terra. Essa influência é diferente para diferentes faixas de ondas (frequências).
miriâmetro e quilômetro ondas (ADICIONAR e DV) pode se propagar tanto como terrestre quanto ionosférico. A presença de uma onda terrestre se propagando por centenas e até milhares de quilômetros é explicada pelo fato de que a intensidade do campo dessas ondas diminui lentamente com a distância, uma vez que a absorção de sua energia pela terra ou pela superfície da água é pequena. Quanto mais longa a onda e melhor a condutividade do solo, mais longas são as distâncias de comunicação por rádio.
Em grande parte, solos secos e arenosos e rochas absorvem energia eletromagnética. Ao se propagarem devido ao fenômeno da difração, eles contornam a superfície convexa da Terra, obstáculos encontrados no caminho: florestas, montanhas, colinas, etc. A partir de uma distância de 300-400 km do transmissor, surge uma onda ionosférica, refletida da região inferior da ionosfera (da camada D ou E). Durante o dia, devido à presença da camada D, a absorção de energia eletromagnética torna-se mais significativa. À noite, com o desaparecimento dessa camada, o alcance da comunicação aumenta. Assim, a passagem de ondas longas à noite é geralmente melhor do que durante o dia. As comunicações globais no VLF e LW são realizadas por ondas que se propagam em um guia de ondas esférico formado pela ionosfera e a superfície terrestre.
Vantagem da gama SV-, DV-:
as ondas de rádio das faixas VLF e LW têm a propriedade de penetrar na coluna d'água, além de se propagar em algumas estruturas do solo;
devido às ondas que se propagam no guia de ondas esférico da Terra, a comunicação é fornecida por milhares de quilômetros;
o alcance da comunicação depende pouco dos distúrbios ionosféricos;
boas propriedades de difração de ondas de rádio nessas faixas tornam possível fornecer comunicação por centenas e até milhares de quilômetros com uma onda terrestre;
a constância dos parâmetros do link de rádio garante um nível de sinal estável no ponto de recepção.
ImperfeiçõesFaixa SDV-,DV,-:
a radiação efetiva das ondas nas seções consideradas do alcance pode ser alcançada apenas com a ajuda de dispositivos de antena muito volumosos, cujas dimensões são proporcionais ao comprimento de onda. A construção e restauração de dispositivos de antena desse tamanho em tempo limitado (para fins militares) é difícil;
uma vez que as dimensões das antenas realmente executadas são menores que o comprimento de onda, a compensação por sua eficiência reduzida é obtida aumentando a potência do transmissor para centenas ou mais kW;
a criação de sistemas ressonantes nesta faixa e em potências significativas determina o grande tamanho dos estágios de saída: transmissores, a complexidade do ajuste rápido para outra frequência;
para o fornecimento de energia de estações de rádio nas bandas VLF e LW), são necessárias grandes usinas;
uma desvantagem significativa das bandas VLF e LW é sua pequena capacitância de frequência;
um nível suficientemente alto de interferência industrial e atmosférica;
a dependência do nível do sinal no ponto de recepção na hora do dia.
Âmbito de aplicação prática de ondas de rádio na faixa VLF-, LW:
comunicação com objetos subaquáticos;
comunicação em linhas tronco globais e comunicação subterrânea;
balizas de rádio, bem como comunicações na aviação de longo alcance e na Marinha.
ondas do hectômetro(SV) pode ser propagado por ondas superficiais e espaciais. Além disso, seu alcance de comunicação por uma onda de superfície é menor (não excede 1.000-1.500 km), pois sua energia é absorvida pelo solo mais do que as ondas longas. As ondas que atingem a ionosfera são intensamente absorvidas pela camada D, quando existe, mas está bem vestido com uma camada E.
Para ondas médias, o alcance da comunicação é muito dependente a partir de hora do dia. Tarde ondas médias tão fortes absorvido nas camadas inferiores da ionosfera que a onda do céu está praticamente ausente. camada noturna D e camada inferior E desaparecem, então a absorção de ondas médias diminui; e as ondas espaciais começam a desempenhar um papel importante. Assim, uma característica importante das ondas médias é que durante o dia a comunicação sobre elas é mantida por uma onda de superfície e à noite - por ondas de superfície e espaciais simultaneamente.
Vantagens da banda MW:
à noite no verão e durante a maior parte do dia no inverno, o alcance de comunicação proporcionado pela onda ionosférica chega a milhares de quilômetros;
os dispositivos de antena de onda média são bastante eficazes e têm dimensões aceitáveis, mesmo para comunicações de rádio móveis;
a capacidade de frequência desta faixa é maior que a das faixas VLF e LW;
boas propriedades de difração de ondas de rádio nesta faixa;
a potência do transmissor é menor que as bandas VLF e LW;
baixa dependência de distúrbios ionosféricos e tempestades magnéticas.
Desvantagens da gama MW:
a carga de trabalho da banda MW com estações de rádio de transmissão poderosas cria dificuldades no uso amplo;
a capacidade de frequência limitada da faixa dificulta a manobra com frequências;
o alcance da comunicação no NE durante o dia no verão é sempre limitado, pois só é possível com uma onda terrestre;
potência do transmissor suficientemente grande;
é difícil usar dispositivos de antena altamente eficientes, a complexidade da construção e restauração em pouco tempo;
um nível suficientemente alto de interferência mútua e atmosférica.
Âmbito de aplicação prática das ondas rádio na gama dos MW; as estações de rádio de ondas médias são mais usadas nas regiões árticas, como backup em casos de perda de comunicações de rádio de ondas curtas amplamente utilizadas devido a distúrbios ionosféricos e magnéticos, bem como na aviação de longo alcance e na Marinha.
Ondas de decâmetro (KB) ocupam uma posição especial. Eles podem se propagar tanto como ondas terrestres quanto como ondas ionosféricas. Ondas terrestres com potência de transmissão relativamente baixa, característica de estações de rádio móveis, se propagam por distâncias não superiores a várias dezenas de quilômetros, pois sofrem absorção significativa no solo, que aumenta com o aumento da frequência.
Ondas ionosféricas devido a reflexões únicas ou múltiplas da ionosfera sob condições favoráveis podem se propagar por longas distâncias. Sua principal propriedade é que eles são fracamente absorvidos pelas regiões mais baixas da ionosfera (camadas D e E) e são bem refletidos por suas regiões superiores (principalmente pela camada F2 . localizado a uma altitude de 300-500 km acima do solo). Isso possibilita o uso de estações de rádio de potência relativamente baixa para comunicação direta em uma ampla gama de distâncias ilimitadas.
Uma redução significativa na qualidade da comunicação de rádio HF pelas ondas do céu ocorre devido ao desvanecimento do sinal. A natureza do desvanecimento é reduzida principalmente à interferência de vários feixes que chegam ao local de recepção, cuja fase muda continuamente devido a mudanças no estado da ionosfera.
Os motivos da chegada de vários feixes ao local de recepção dos sinais podem ser:
irradiação da ionosfera em ângulos em que os raios que sofrem
número diferente de reflexões da ionosfera e da Terra convergem no ponto de recepção;
o fenômeno da dupla refração sob a influência do campo magnético da Terra, devido ao qual dois feixes (ordinários e extraordinários), refletidos de diferentes camadas da ionosfera, atingem o mesmo ponto de recepção;
falta de homogeneidade da ionosfera, levando à reflexão difusa de ondas de suas várias regiões, ou seja, à reflexão de feixes de um conjunto de raios elementares.
O desvanecimento também pode ocorrer devido a flutuações de polarização das ondas após a reflexão da ionosfera, levando a uma mudança na proporção dos componentes vertical e horizontal do campo elétrico no local de recepção. O desvanecimento de polarização é observado com muito menos frequência do que o desvanecimento de interferência e representa 10-15% de seu número total.
O nível do sinal nos pontos de recepção como resultado do desvanecimento pode variar em uma ampla faixa - dezenas e até centenas de vezes. O intervalo de tempo entre o desbotamento profundo é uma variável aleatória e pode variar de décimos de segundo a vários segundos, e às vezes mais, e a transição do nível alto para o baixo pode ser suave e muito abrupta. As mudanças rápidas de nível geralmente se sobrepõem às lentas.
As condições para a passagem de ondas curtas pela ionosfera variam de ano para ano, o que está associado a uma mudança quase periódica na atividade solar, ou seja, com uma mudança no número e na área das manchas solares (número de Wolf), que são fontes de radiação que ionizam a atmosfera. O período de repetição da atividade solar máxima é de 11,3±4 anos. Durante os anos de atividade solar máxima, as frequências máximas aplicáveis (MUF) aumentam e as áreas das faixas de frequência de operação se expandem.
Na fig. 2.10 mostra uma família típica de esquemas diários de MUF e Least Usable Frequencies (LPF) para uma potência irradiada de 1 kW.
Arroz. 2.10 Percurso das curvas de MUF e LF.
Esta família de gráficos diários corresponde a áreas geográficas específicas. Segue-se disso que a faixa de frequência aplicável para comunicação em uma determinada distância pode ser muito pequena. Ao mesmo tempo, deve-se levar em consideração que as previsões ionosféricas podem apresentar erros, portanto, ao escolher as frequências máximas de comunicação, elas procuram não ultrapassar a linha da chamada frequência operacional ideal (ORF), que passa abaixo a linha MUF em 20-30%. Obviamente, a largura de trabalho da seção de alcance é ainda mais reduzida a partir disso. A diminuição do nível do sinal ao se aproximar da frequência máxima aplicável é explicada pela variabilidade dos parâmetros ionosféricos.
Devido ao fato de que o estado da ionosfera está mudando, a comunicação por uma onda ionosférica requer a escolha correta das frequências durante o dia:
DIA usar frequências 12-30 MHz,
MANHÃ e NOITE 8-12 MHz, NOITE 3-8 MHz.
Também pode ser visto nos gráficos que, com a diminuição do comprimento do link de rádio, o alcance das frequências aplicáveis é reduzido (para distâncias de até 500 km à noite, pode ser de apenas 1-2 MHz).
As condições de radiocomunicação para linhas longas são mais favoráveis do que para linhas curtas, pois há menos delas e a faixa de frequências adequadas para elas é muito mais ampla.
As tempestades ionosféricas e magnéticas podem ter um impacto significativo no estado das comunicações de rádio HF (especialmente nas regiões polares); perturbações da ionosfera e do campo magnético da Terra sob a influência de fluxos de partículas carregadas irrompidas pelo Sol. Esses fluxos geralmente destroem a principal camada refletora ionosférica F2 na região de altas latitudes geomagnéticas. As tempestades magnéticas podem se manifestar não apenas nas regiões polares, mas em todo o globo. Os distúrbios ionosféricos têm periodicidade e estão associados ao tempo de rotação do Sol em torno de seu eixo, que é igual a 27 dias.
As ondas curtas são caracterizadas pela presença de zonas de silêncio (zonas mortas). A zona de silêncio (Fig. 2.8) ocorre durante as comunicações de rádio em longas distâncias em áreas nas quais a onda de superfície não atinge devido à sua atenuação, e a onda do céu é refletida da ionosfera para uma distância maior. Isso ocorre ao usar antenas altamente direcionais ao emitir em pequenos ângulos em relação ao horizonte.
Vantagens da banda de HF:
ondas ionosféricas podem se propagar por longas distâncias devido a reflexões únicas ou múltiplas da ionosfera sob condições favoráveis. São fracamente absorvidos pelas regiões inferiores da ionosfera (as camadas D e E) e são bem refletidos pelas superiores (principalmente a camada F2);
a capacidade de usar estações de rádio de potência relativamente baixa para comunicação direta em uma ampla gama ilimitada de distâncias;
a capacidade de frequência da banda HF é muito maior do que as bandas VLF, LW, MW, o que permite operar simultaneamente um grande número de estações de rádio;
os dispositivos de antena usados na faixa de ondas decâmetros têm dimensões aceitáveis (mesmo para instalação em objetos em movimento) e podem ter propriedades direcionais pronunciadas. Eles têm um tempo de implantação curto, são baratos e são facilmente reparados se danificados.
Desvantagens da banda de HF:
a comunicação de rádio por ondas ionosféricas pode ser realizada se as frequências aplicadas estiverem abaixo dos valores máximos (MUF) determinados para cada comprimento do enlace de rádio pelo grau de ionização das camadas refletoras;
a comunicação só é possível se a potência dos transmissores e os ganhos das antenas utilizadas, com a absorção de energia na ionosfera, fornecerem a força necessária do campo eletromagnético no ponto de recepção. Esta condição limita o limite inferior de frequências utilizáveis (LLF);
capacidade de frequência insuficiente para o uso de modos de operação de banda larga e manobra de frequência;
um grande número de estações de rádio operando simultaneamente com um longo alcance de comunicação cria um grande nível de interferência mútua;
um grande alcance de comunicação torna mais fácil para o inimigo usar interferência deliberada;
a presença de zonas de silêncio ao fornecer comunicação a longas distâncias;
uma diminuição significativa na qualidade da comunicação de rádio HF por ondas ionosféricas devido ao desvanecimento do sinal que ocorre devido à variabilidade da estrutura das camadas refletoras da ionosfera, sua constante perturbação e propagação de ondas multipercurso.
Âmbito de aplicação prática de ondas de rádio HF
As estações de rádio KB encontram a mais ampla aplicação prática para comunicação com assinantes remotos.
As ondas métricas (VHF) incluem várias seções da faixa de frequência com uma enorme capacitância de frequência.
Naturalmente, essas seções diferem bastante umas das outras em termos das propriedades de propagação das ondas de rádio. A energia VHF é fortemente absorvida pela Terra (no caso geral, proporcional ao quadrado da frequência), então a onda terrestre decai rapidamente. Para VHF, a reflexão regular da ionosfera é incomum, portanto, a comunicação é calculada usando a onda terrestre e uma onda se propagando no espaço livre. Ondas do céu menores que 6-7 m (43-50 MHz) geralmente passam pela ionosfera sem serem refletidas por ela.
A propagação do VHF ocorre de forma retilínea, o alcance máximo é limitado pelo alcance da linha de visada. Pode ser determinado pela fórmula:
onde Dmax é o alcance da linha de visada, km;
h1 é a altura da antena transmissora, m;
h2 é a altura da antena receptora, m.
No entanto, devido à refração (refração), há uma curvatura da propagação das ondas de rádio. Nesse caso, na fórmula de intervalo, o coeficiente será mais preciso não 3,57, mas 4,1-4,5. Segue-se desta fórmula que, para aumentar o alcance da comunicação em VHF, é necessário elevar mais as antenas do transmissor e do receptor.
Um aumento na potência do transmissor não leva a um aumento proporcional no alcance de comunicação, portanto, estações de rádio de baixa potência são usadas neste alcance. Ao se comunicar devido ao espalhamento troposférico e ionosférico, são necessários transmissores de potência considerável.
À primeira vista, o alcance da comunicação por ondas terrestres em VHF deve ser muito pequeno. No entanto, deve-se ter em mente que, com o aumento da frequência, aumenta a eficiência dos dispositivos de antena, compensando as perdas de energia na Terra.
O alcance da comunicação por ondas terrestres depende do comprimento de onda. O maior alcance é alcançado em ondas métricas, especialmente em ondas adjacentes à banda HF.
Ondas métricas têm a propriedade difração, ou seja a capacidade de curvar-se em terrenos irregulares. Um aumento no alcance da comunicação em ondas métricas é facilitado pelo fenômeno da troposfera refração, ou seja o fenômeno da refração na troposfera, que garante a comunicação em vias fechadas.
Na faixa de ondas do medidor, a propagação de ondas de rádio de longo alcance é frequentemente observada, o que se deve a vários motivos. A propagação distante pode ocorrer quando nuvens ionizadas esporádicas se formam ( camada esporádica fs). Sabe-se que essa camada pode aparecer em qualquer época do ano e do dia, mas para o nosso hemisfério ocorre principalmente no final da primavera e início do verão durante o dia. Uma característica dessas nuvens é uma concentração de íons muito alta, às vezes suficiente para refletir ondas de toda a faixa de VHF. Nesse caso, a zona de localização das fontes de radiação em relação aos pontos de recepção costuma estar a uma distância de 2.000 a 2.500 km e, às vezes, ainda mais próxima. A intensidade dos sinais refletidos da camada Fs pode ser muito alta mesmo em potências de fonte muito baixas.
Outra razão para a propagação de longo alcance das ondas métricas durante os anos de atividade solar máxima pode ser a camada F2 regular. Essa distribuição se manifesta nos meses de inverno durante o tempo iluminado dos pontos de reflexão, ou seja, quando a absorção da energia das ondas nas regiões inferiores da ionosfera é mínima. O alcance da comunicação, neste caso, pode atingir escalas globais.
A propagação de longo alcance de ondas métricas também pode ocorrer durante explosões nucleares de alta altitude. Neste caso, além da região inferior de maior ionização, aparece uma região superior (ao nível da camada Fs). As ondas métricas penetram pela região inferior, sofrem alguma absorção, são refletidas da região superior e retornam à Terra. As distâncias percorridas neste caso variam de 100 a 2500 km. Força de campo refletida nyh ondas depende da frequência: as frequências mais baixas sofrem a maior absorção na região de ionização inferior, e as mais altas experimentam reflexão incompleta da região superior.
A interface entre KB e ondas métricas está em um comprimento de onda de 10 m (30 MHz). As propriedades de propagação das ondas de rádio não podem mudar abruptamente, ou seja, deve haver uma região ou região de frequências que é transitório. Essa seção da faixa de frequência é uma seção de 20 a 30 MHz. Durante os anos de atividade solar mínima (assim como à noite, independentemente da fase de atividade), essas frequências são praticamente inadequadas para comunicação de longo alcance por ondas ionosféricas, e seu uso é extremamente limitado. Ao mesmo tempo, nestas condições, as propriedades de propagação das ondas nesta seção tornam-se muito próximas das propriedades das ondas métricas. Não é por acaso que esta seção de frequências é usada no interesse das comunicações de rádio, que são guiadas por ondas métricas.
Vantagens da banda VHF:
as pequenas dimensões das antenas permitem realizar uma radiação direcional pronunciada que compensa a rápida atenuação da energia das ondas de rádio;
as condições de propagação são amplamente independentes da hora do dia e do ano, bem como da atividade solar;
alcance de comunicação limitado permite que você use repetidamente as mesmas frequências em áreas de superfície, cuja distância entre os limites não é menor que a soma do alcance de estações de rádio com as mesmas frequências;
menor nível de interferência não intencional (origem natural e artificial) e intencional devido a antenas direcionadas estreitamente e og alcance de comunicação limitado;
grande capacidade de frequência, permitindo o uso de sinais de banda larga imunes a ruído para um grande número de estações operando simultaneamente;
ao usar sinais de banda larga para comunicações de rádio, a instabilidade de frequência do link de rádio δf=10 -4 é suficiente;
a capacidade do VHF de penetrar na ionosfera sem perdas significativas de energia possibilitou a realização de comunicações de rádio espaciais em distâncias medidas em milhões de quilômetros;
canal de rádio de alta qualidade;
devido a perdas de energia muito baixas no espaço livre, o alcance de comunicação entre aeronaves equipadas com estações de rádio de potência relativamente baixa pode chegar a várias centenas de quilômetros;
propriedade de propagação de longo alcance de ondas métricas;
baixa potência do transmissor e uma pequena dependência da faixa de comunicação da potência.
Desvantagens da banda VHF:
curto alcance de comunicação de rádio por ondas terrestres, praticamente limitado pela linha de visão;
ao usar antenas estreitamente direcionadas, é difícil trabalhar com vários correspondentes;
ao usar antenas com orientação circular, o alcance de comunicação, proteção de inteligência e imunidade a ruído são reduzidos.
Âmbito de aplicação prática das ondas de rádio VHF O alcance é utilizado simultaneamente por um grande número de estações de rádio, principalmente porque o alcance da interferência mútua entre elas, via de regra, é pequeno. As propriedades de propagação das ondas terrestres garantem o uso generalizado de ondas ultracurtas para comunicação no link de controle tático, inclusive entre vários tipos de objetos em movimento. Comunicação em distâncias interplanetárias.
Dadas as vantagens e desvantagens de cada faixa, podemos concluir que as faixas mais aceitáveis para estações de rádio de baixa potência são as ondas decâmeras (KB) e métricas (VHF).
2.5 O impacto das explosões nucleares no estado das comunicações de rádio
Durante as explosões nucleares, a radiação gama instantânea, interagindo com os átomos do ambiente, cria um fluxo de elétrons rápidos voando em alta velocidade principalmente na direção radial do centro da explosão, e íons positivos que permanecem praticamente no lugar. Assim, no espaço por algum tempo há uma separação de cargas positivas e negativas, o que leva ao surgimento de campos elétricos e magnéticos. Esses campos, devido à sua curta duração, são chamados impulso eletromagnético (AMY) de uma explosão nuclear. A duração de sua existência é de aproximadamente 150-200 milissegundos.
pulso eletromagnetico (quinto fator prejudicial de uma explosão nuclear) na ausência de medidas de proteção especiais, pode danificar equipamentos de controle e comunicação, interromper a operação de dispositivos elétricos conectados a linhas externas estendidas.
Os sistemas de comunicação, sinalização e controle são os mais suscetíveis à influência do pulso eletromagnético de uma explosão nuclear. Como resultado da exposição a EMP de uma explosão nuclear terrestre ou aérea, uma tensão elétrica é induzida nas antenas das estações de rádio, sob a influência da qual quebra de isolamento, transformadores, derretimento de fios, falha de pára-raios, danos a tubos eletrônicos , dispositivos semicondutores, capacitores, resistências, etc.
Foi constatado que quando o equipamento é exposto a EMR, a maior tensão é induzida nos circuitos de entrada.No caso dos transistores, observa-se a seguinte dependência: quanto maior o ganho do transistor, menor sua rigidez dielétrica.
O equipamento de rádio possui uma rigidez dielétrica de tensão CC não superior a 2-4 kV. Considerando que o pulso eletromagnético de uma explosão nuclear é de curta duração, a força elétrica final do equipamento sem equipamento de proteção pode ser considerada maior - cerca de 8-10 kV.
Na tabela. 1 mostra as distâncias aproximadas (em km) nas quais tensões superiores a 10 e 50 kV, perigosas para os equipamentos, são induzidas nas antenas das estações de rádio no momento de uma explosão nuclear.
tabela 1
Em distâncias maiores, o efeito do EMP é semelhante ao efeito de um raio não muito distante e não causa danos ao equipamento.
O impacto de um pulso eletromagnético no equipamento de rádio é drasticamente reduzido se forem aplicadas medidas de proteção especiais.
A forma mais eficaz de proteger equipamentos radioeletrônicos localizados em edifícios é o uso de telas eletricamente condutoras (metálicas), que reduzem significativamente a magnitude da tensão induzida em fios e cabos internos. São utilizados equipamentos de proteção semelhantes aos equipamentos de proteção contra raios: pára-raios com bobinas de dreno e bloqueio, elos fusíveis, dispositivos de desacoplamento, circuitos para desconectar automaticamente os equipamentos da linha.
Boa medida de proteção também é um aterramento confiável do equipamento em um ponto. A implementação de dispositivos de engenharia de rádio em blocos também é eficaz, com a proteção de cada bloco e de todo o dispositivo como um todo. Isso permite substituir rapidamente uma unidade com falha por uma unidade de backup (nos equipamentos mais críticos, as unidades são duplicadas com comutação automática em caso de danos aos principais). Em alguns casos, elementos de selênio e estabilizadores podem ser usados para proteger contra EMP.
Além disso, pode ser aplicado dispositivos de entrada de proteção, que são vários relés ou dispositivos eletrônicos que respondem ao excesso de tensão no circuito. Quando chega um pulso de tensão, induzido nas linhas por um pulso eletromagnético, eles desligam a energia do dispositivo ou simplesmente quebram os circuitos de trabalho.
Ao escolher dispositivos de proteção, deve-se levar em consideração que o impacto do EMP é caracterizado pelo caráter de massa, ou seja, a operação simultânea de equipamentos de proteção em todos os circuitos que estão na área da explosão. Portanto, os esquemas de proteção aplicados devem restaurar automaticamente os circuitos imediatamente após o término do pulso eletromagnético.
A resistência do equipamento aos efeitos da tensão que surge nas linhas durante uma explosão nuclear depende em grande parte da operação correta da linha e do monitoramento cuidadoso da manutenção do equipamento de proteção.
Para requisitos operacionais importantes inclui a verificação periódica e oportuna da resistência elétrica do isolamento da linha e dos circuitos de entrada do equipamento, detecção e eliminação oportuna de fios de aterramento que surgiram, monitoramento da capacidade de manutenção de pára-raios, fusíveis, etc.
explosão nuclear de alta altitude acompanhado pela formação de regiões de ionização aumentada. Em explosões em altitudes de até aproximadamente 20 km, a região ionizada é limitada primeiro pelo tamanho da região luminosa e depois pela nuvem de explosão. Em altitudes de 20 a 60 km, o tamanho da região ionizada é um pouco maior que o tamanho da nuvem de explosão, especialmente no limite superior dessa faixa de altura.
Durante explosões nucleares em grandes altitudes, duas regiões de ionização aumentada aparecem na atmosfera.
Primeira área é formado na área da explosão devido à substância ionizada da munição e à ionização do ar pela onda de choque. As dimensões desta área na direção horizontal atingem dezenas e centenas de metros.
Segunda área o aumento da ionização ocorre abaixo do centro da explosão nas camadas da atmosfera em altitudes de 60-90 km como resultado da absorção de radiação penetrante pelo ar. As distâncias nas quais as radiações penetrantes produzem ionização na direção horizontal são centenas e até milhares de quilômetros.
Áreas de aumento de ionização que ocorrem durante uma explosão nuclear de alta altitude absorvem ondas de rádio e mudam a direção de sua propagação, o que leva a uma interrupção significativa na operação das instalações de rádio. Nesse caso, há interrupções nas comunicações de rádio e, em alguns casos, são totalmente interrompidas.
A natureza do efeito prejudicial do pulso eletromagnético de explosões nucleares de alta altitude é basicamente semelhante à natureza do efeito prejudicial de EMP no solo e explosões aéreas.
As medidas de proteção contra o efeito prejudicial do pulso eletromagnético de explosões de grande altitude são as mesmas contra EMP de explosões terrestres e aéreas.
2.5.1 Proteção contra radiação ionizante e eletromagnética
explosões nucleares de alta altitude (HNA)
A interferência RS pode ocorrer devido a explosões de armas nucleares, acompanhadas pela emissão de poderosos pulsos eletromagnéticos de curta duração (10-8 seg) e alteração nas propriedades elétricas da atmosfera.
EMP (flash de rádio) ocorre:
em primeiro lugar , como resultado da expansão assimétrica da nuvem de descargas elétricas formadas sob a influência da radiação ionizante das explosões;
em segundo lugar , devido à rápida expansão de um gás altamente condutor (plasma) formado a partir dos produtos da explosão.
Após a explosão, uma bola de fogo é criada no espaço, que é uma esfera altamente ionizada. Esta esfera está se expandindo rapidamente (a uma velocidade de cerca de 100-120 km/h) acima da superfície da Terra, transformando-se em uma esfera de configuração falsa, a espessura da esfera atinge 16-20 km. A concentração de elétrons na esfera pode atingir até 105-106 eletr./cm3, ou seja, 100-1000 vezes maior que a concentração normal de elétrons na camada ionosférica D.
Explosões nucleares de grande altitude (HNA) em altitudes superiores a 30 km afetam significativamente as características elétricas da atmosfera em grandes espaços por um longo tempo e, portanto, têm forte influência na propagação de ondas de rádio.
Além disso, um poderoso pulso eletromagnético que ocorre durante o HNW induz altas tensões (até 10.000-50.000 V) e correntes de até vários milhares de amperes em linhas de comunicação com fio.
O poder do EMP é tão grande que sua energia é suficiente para penetrar na terra até 30 m e induzir EMF em um raio de até 50-200 km do epicentro da explosão.
No entanto, o principal efeito do HNS é que a enorme quantidade de energia liberada durante a explosão, bem como intensos fluxos de nêutrons, raios X, ultravioleta e raios gama, levam à formação de regiões altamente ionizadas na atmosfera e um aumento na densidade de elétrons na ionosfera, que por sua vez leva à absorção de ondas de rádio e perturbação da estabilidade da operação do sistema de controle.
2.5.2 Sinais característicos da VJV
O VYaV em uma determinada área ou próximo a ela é acompanhado por um término instantâneo da recepção de estações distantes na banda de ondas HF.
No momento do término da comunicação, um clique curto é observado nos telefones, e então apenas o ruído do próprio receptor e estalos fracos, como descargas de trovões, são ouvidos.
Poucos minutos após o término da comunicação em HF, a interferência de estações distantes na faixa do medidor de ondas em VHF aumenta acentuadamente.
O alcance do radar e a precisão das coordenadas de medição são reduzidos.
A base da proteção de meios eletrônicos é o uso correto da faixa de frequência e todos os fatores que surgem como resultado do uso de HNV
2.5.3 Definições básicas:
onda de rádio refletida (onda refletida ) é uma onda de rádio que se propaga após reflexão da interface entre dois meios ou de não homogeneidades do meio;
onda de rádio direta (onda direta ) é uma onda de rádio que se propaga diretamente das fontes até o local de recepção;
onda de rádio terrestre (onda terrestre ) - uma onda de rádio que se propaga perto da superfície da terra e inclui uma onda direta, uma onda refletida da terra e uma onda de superfície;
skywave (onda do céu ) é uma onda de rádio que se propaga como resultado da reflexão da ionosfera ou do espalhamento sobre ela;
absorção de ondas de rádio (absorção ) é uma diminuição da energia de uma onda de rádio devido à sua conversão parcial em energia térmica como resultado da interação com o meio;
propagação multipath de ondas de rádio (propagação multipath ) - propagação de ondas de rádio da antena transmissora para a receptora ao longo de várias trajetórias;
altura efetiva de reflexão da camada (altitude efetiva ) é a altura hipotética da reflexão de uma onda de rádio da camada ionizada, dependendo da distribuição da densidade eletrônica sobre a altura e o comprimento da onda de rádio, determinada pelo tempo entre a transmissão e a recepção da onda ionosférica refletida em sondagem vertical, assumindo que a velocidade de propagação da onda de rádio ao longo de todo o percurso é igual à velocidade da luz no vácuo;
salto ionosférico (pular ) é a trajetória de propagação das ondas de rádio de um ponto a outro na superfície da Terra, cuja passagem é acompanhada por uma reflexão da ionosfera;
frequência máxima utilizável (MUHR) é a maior frequência de emissão de rádio na qual existe propagação ionosférica de ondas de rádio entre determinados pontos em um determinado momento sob certas condições, esta é a frequência que ainda é refletida da ionosfera;
frequência operacional ideal (ORF) é a frequência de emissão de rádio abaixo do IF, na qual a comunicação de rádio estável pode ser realizada em certas condições geofísicas. Como regra, o ORF é inferior ao MUF em 15%;
sondagem ionosférica vertical (som vertical ) - sondagem ionosférica por meio de sinais de rádio emitidos verticalmente para cima em relação à superfície da Terra, desde que os pontos de emissão e recepção sejam combinados;
distúrbio ionosférico – perturbação na distribuição de ionização nas camadas da atmosfera, que excede as mudanças usuais nas características médias de ionização para dadas condições geográficas;
tempestade ionosférica – perturbação ionosférica prolongada de alta intensidade.
Ao determinar o alcance dos sistemas de rádio, é necessário levar em consideração a absorção e a refração das ondas de rádio à medida que se propagam na atmosfera, sua reflexão na ionosfera e a influência da superfície subjacente ao longo do caminho ao longo do qual o sinal de rádio propaga.
O grau de influência desses fatores depende da faixa de frequência e das condições de operação do sistema de rádio (hora do dia, área geográfica, altura das antenas do transmissor e do receptor).
A influência da absorção e refração das ondas de rádio é mais significativa na camada principal inferior da atmosfera, chamada troposfera. A troposfera se estende em altura até 8-10 km nas regiões polares e até 16-18 km nas latitudes tropicais do globo. A maior parte do vapor d'água concentra-se na troposfera, formam-se nuvens e fluxos turbulentos, que afetam a propagação das ondas de rádio, principalmente as faixas milimétricas, centimétricas e decimétricas utilizadas em radares e rádios de curto alcance.
A reflexão das ondas de rádio da ionosfera afeta mais fortemente o decâmetro e as ondas mais longas usadas em sistemas de navegação e comunicação.
Vamos considerar brevemente a influência desses fatores.
A influência da atenuação das ondas rádio na troposfera está associada à sua absorção pelas moléculas de oxigénio e vapor de água, hidrometeoros (chuva, nevoeiro, neve) e partículas sólidas. Absorção e dispersão levam a uma diminuição na densidade de fluxo de potência de uma onda de rádio com distância de acordo com uma lei exponencial, ou seja, a potência do sinal na entrada é atenuada por um fator. O valor do fator de atenuação depende do coeficiente de atenuação , e da distância percorrida pelas ondas de rádio D. Se o coeficiente , ao longo de todo o trajeto for constante e for considerado o caso de um radar ativo com resposta passiva, então a potência do sinal na entrada do receptor diminui devido à atenuação de para
Se expressarmos , em , então . Na presença de hidrometeoros e outras partículas na atmosfera, o coeficiente de atenuação , é a soma dos coeficientes de atenuação parcial causados pela absorção de oxigênio e vapor d'água pelas moléculas, bem como pela influência de partículas líquidas e sólidas. A absorção molecular na atmosfera ocorre principalmente em frequências próximas às ressonantes. As linhas de ressonância de todos os gases da atmosfera, com exceção do oxigênio e do vapor d'água, estão localizadas fora do alcance das ondas de rádio, portanto, apenas a absorção de oxigênio e vapor d'água pelas moléculas afeta significativamente o alcance do RTS. A absorção pelas moléculas de vapor de água é máxima na onda e pelas moléculas de oxigênio - nas ondas.
Assim, a absorção molecular é significativa na faixa centimétrica e principalmente na milimétrica, onde limita o alcance dos sistemas de rádio, principalmente radares, operando em sinais refletidos.
Outra razão para a perda de energia do sinal durante a propagação é a dispersão das ondas de rádio, principalmente por gotas de chuva e neblina. Quanto maior a razão entre o raio da gota , para o comprimento de onda
, para o comprimento de onda , maior a perda de energia devido ao seu espalhamento em todas as direções. Esse espalhamento aumenta proporcionalmente à quarta potência da frequência, pois o EPR da queda em
onde é a constante dielétrica da água.
Se o diâmetro das gotas e seu número por unidade de volume forem conhecidos, então o coeficiente de atenuação pode ser determinado. Nos manuais, o coeficiente de chuva geralmente é indicado em função de sua intensidade e comprimento de onda. Na faixa de centímetros, o coeficiente de atenuação varia aproximadamente em proporção ao quadrado da frequência do sinal. Se a uma frequência em mm/h, , então a uma frequência na mesma intensidade de chuva .
A atenuação das ondas de rádio no nevoeiro é diretamente proporcional à concentração de água nele. A atenuação das ondas de rádio devido ao granizo e à neve é muito menor do que devido à chuva ou neblina, e sua influência geralmente é negligenciada.
O alcance máximo do radar, levando em consideração a atenuação, pode ser encontrado pela fórmula
se o alcance no espaço livre for conhecido. Esta equação pode ser resolvida graficamente na forma logarítmica. Após transformações simples, encontramos
Denotamos a diminuição relativa no alcance e escrevemos a equação em uma forma conveniente para uma solução gráfica:
A Figura 9.4 mostra uma dependência que permite, para dados e , encontrar , e, portanto, .
Influência da refração das ondas de rádio na atmosfera. A refração (refração, curvatura) das ondas de rádio é o desvio da propagação das ondas de rádio de uma linha reta quando elas passam por um meio com parâmetros elétricos variáveis. As propriedades de refração de um meio são caracterizadas pelo índice de refração, determinado por sua constante dielétrica. Juntamente com o índice de refração na atmosfera varia com a altitude. A taxa de variação com a altura é caracterizada por um gradiente cujo valor e sinal caracterizam a refração.
Quando não há refração. Se , então a refração é considerada negativa e a trajetória da onda de rádio é desviada da superfície da Terra. a refração é positiva e a trajetória da onda de rádio é curvada em direção à Terra, o que leva ao seu envoltório pela onda de rádio e a um aumento do alcance dos sistemas de rádio e, em particular, do alcance da detecção de radar de navios e navios de baixa altitude aeronaves voadoras.
Para o estado normal da atmosfera, ou seja, a refração é positiva, o que leva a um aumento do alcance do horizonte de rádio. O efeito da refração normal é levado em consideração por um aumento aparente no raio da Terra por um fator de 1, o que equivale a um aumento no alcance do horizonte de rádio até . O raio de curvatura da trajetória da onda de rádio é inversamente proporcional ao gradiente, ou seja, . Quando o raio de curvatura da trajetória da onda de rádio é igual ao raio da Terra, e uma onda de rádio direcionada horizontalmente se propaga paralelamente à superfície da Terra, dobrando-se em torno dela. Este é um caso de refração crítica, em que é possível um aumento significativo no alcance do radar.
Sob condições anormais na troposfera (aumento acentuado da pressão, umidade, temperatura), também é possível a superrefração, na qual o raio de curvatura da trajetória das ondas de rádio se torna menor que o raio da Terra. Ao mesmo tempo, a propagação do guia de onda de ondas de rádio por distâncias muito longas é possível na troposfera se a antena do radar e o objeto estiverem em alturas dentro da camada da troposfera formando o canal do guia de onda.
A influência da superfície subjacente. Além da refração atmosférica, o arredondamento da superfície terrestre ocorre devido à difração das ondas de rádio. No entanto, na zona de sombra (além do horizonte), a intensidade das ondas de rádio cai rapidamente devido às perdas na superfície subjacente, que aumentam rapidamente com o aumento da frequência do sinal de rádio. Portanto, apenas em ondas maiores que 1000 m, uma onda de superfície, ou seja, uma onda envolvendo a superfície da Terra, pode fornecer um grande alcance do sistema (várias centenas e até milhares de quilômetros). Portanto, no RNS de longo alcance, são usadas ondas das faixas de ondas longas e ondas ultralongas.
A atenuação de uma onda de superfície depende da constante dielétrica e da condutividade elétrica da superfície subjacente, tanto para a superfície do mar quanto para desertos arenosos ou montanhosos; enquanto muda dentro de 0,0001 - 5 S/m. Com a diminuição da condutividade do solo, a atenuação aumenta acentuadamente, portanto, o maior raio de ação é proporcionado pela propagação das ondas de rádio sobre o mar, essencial para a radionavegação marítima.
A influência da superfície subjacente afeta não apenas o alcance do RNS, mas também sua precisão, uma vez que a velocidade de fase das ondas de rádio também depende dos parâmetros da superfície subjacente. Mapas especiais de correções de velocidade de fase são criados dependendo dos parâmetros da superfície subjacente, no entanto, como esses parâmetros mudam dependendo da época do ano e do dia e até mesmo do clima, é praticamente impossível eliminar completamente os erros de localização causados por uma mudança na a velocidade de fase das ondas de rádio.
Ondas de rádio com comprimento superior a 10 m também podem se propagar além do horizonte como resultado de reflexões únicas ou múltiplas da ionosfera.
Influência da reflexão das ondas de rádio pela ionosfera. As ondas de rádio que atingem a antena receptora após serem refletidas pela ionosfera são chamadas de espaciais.
Essas ondas fornecem um alcance muito longo, que é usado em sistemas de comunicação na faixa de ondas curtas (decâmetros). Nas ondas do céu, a detecção de radar de ultralongo alcance de determinados alvos (explosões nucleares e lançamentos de mísseis) também é realizada usando sinais refletidos pelo alvo, que, ao longo do caminho de propagação, experimentam uma ou mais reflexões da ionosfera e da Terra superfície. O fenômeno de receber tais sinais (o efeito Kabanov) foi descoberto pelo cientista soviético N. I. Kabanov em 1947. Os radares baseados nesse efeito são chamados de ionosféricos ou além do horizonte. Em tais estações operando em ondas de 10-15 m, como em radares convencionais, o alcance do alvo é determinado pelo tempo de atraso do sinal e a direção é fixada usando uma antena direcional. Devido à instabilidade da ionosfera, a precisão de tais estações é baixa, e o cálculo do raio de ação é uma tarefa difícil devido à dificuldade de levar em consideração as perdas por espalhamento e absorção de ondas de rádio ao longo do caminho de propagação, bem como quando são refletidos da Terra e da ionosfera. Nesse caso, também é necessário levar em consideração as perdas devido à mudança no plano de polarização das ondas de rádio.
A dependência da altura da ionosfera de muitos fatores leva a mudanças imprevisíveis no atraso do sinal, o que dificulta o uso de ondas do céu para navegação de rádio. Além disso, a interferência de ondas espaciais e de superfície leva à distorção do sinal de superfície e reduz a precisão da localização.
Em conclusão, vamos considerar as características da propagação de ondas de rádio do alcance do miriâmetro (ondas super longas) com comprimento de 10 a 30 km, usadas em sistemas de navegação global baseados em terra. Essas ondas são mal absorvidas pela superfície subjacente e são bem refletidas a partir dela, bem como da ionosfera, tanto à noite quanto durante o dia. Como resultado, ondas superlongas se propagam ao redor da Terra, como em um guia de ondas limitado pela superfície da Terra e pela ionosfera, por distâncias muito longas. Ao mesmo tempo, a mudança na velocidade de propagação e mudanças de fase podem ser previstas, o que fornece precisão de posicionamento suficiente para navegação em alto mar.
Atualmente, os RNSs de satélite são utilizados para navegação global, na qual, devido à alta altitude das órbitas dos satélites, é fornecida “visibilidade” direta a longas distâncias por meio de ondas decimétricas que passam livremente pela ionosfera. todo o espaço próximo da Terra.
Escreva a equação do alcance do radar no espaço livre.
Como o alcance de um radar depende de seu comprimento de onda?
Como a reflexão das ondas de rádio da superfície da Terra afeta o alcance do radar?
Qual é o recurso de detecção de objetos baixos?
Quais são as principais razões para o enfraquecimento do sinal do radar durante a propagação?
Determine o alcance de um radar de alcance de três centímetros operando na chuva com uma intensidade de mm / h (). O alcance do radar no espaço livre.
Em que condições a refração das ondas de rádio leva a um aumento anômalo no alcance do radar?
Qual é a influência da superfície subjacente na operação do RNS?
O que é o "efeito Kabanov" e como ele é aplicado na prática?
Por que os RNSs terrestres globais usam ondas de rádio VLF?
INTRODUÇÃO
Como regra, o termo "ondas de rádio" refere-se a ondas eletromagnéticas pertencentes a uma determinada faixa de frequência usada em engenharia de rádio. Por decisão especial da União Internacional de Telecomunicações (ITU) e da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), costuma-se distinguir entre as seguintes faixas de frequência de rádio e os comprimentos de onda de rádio correspondentes:
frequências muito baixas (VLF) - de 3 a 30 kHz, ou ondas miriátricas (comprimento de onda de 100 a 10 km);
baixas frequências (LF) - de 30 a 300 kHz, ou ondas quilométricas (comprimento de onda de 10 a 1 km);
frequências médias (MF) - de 300 kHz a 3 MHz, ou ondas hectométricas (comprimento de onda de 1 km a 100 m);
altas frequências (HF) - de 3 a 30 MHz, ou ondas decâmetros (comprimento de onda de 100 a 10 m);
frequências muito altas (VHF) - de 30 a 300 MHz, ou ondas métricas (comprimento de onda de 10 a 1 m);
frequências ultra-altas (UHF) - de 300 MHz a 3 GHz, ou ondas decimétricas (comprimento de onda de 1 m a 10 cm);
frequências ultra-altas (SHF) - de 3 a 30 GHz, ou ondas centimétricas (comprimento de onda de 10 a 1 cm);
frequências extremamente altas (EHF) - de 30 a 300 GHz, ou ondas milimétricas (comprimento de onda de 1 cm a 1 mm).
A engenharia de rádio se desenvolveu historicamente com uma tendência constante para o desenvolvimento de faixas de frequência cada vez mais altas. Isso ocorreu principalmente devido à necessidade de criar sistemas de antena altamente eficientes concentrando energia em ângulos sólidos estreitos. O fato é que uma antena com um padrão de radiação estreito deve necessariamente ter dimensões transversais que excedam significativamente o comprimento de onda operacional. Tal condição é fácil de cumprir no metro, e ainda mais na faixa do centímetro, enquanto uma antena altamente direcional para ondas miriátricas teria dimensões completamente inaceitáveis.
O segundo fator que determina as propriedades valiosas das faixas de alta frequência é o fato de que aqui é possível realizar um grande número de canais de rádio com bandas de frequência sem interseção entre si. Isso permite, por um lado, usar amplamente o princípio da divisão de frequência dos canais e, por outro lado, usar sistemas de modulação de banda larga, como a modulação de frequência. Sob certas condições, tais sistemas de modulação são capazes de fornecer alta imunidade ao ruído do canal de rádio.
Na prática da radiodifusão e da televisão, também se desenvolveu uma classificação um tanto simplificada das bandas de ondas de rádio. Segundo ela, as ondas miriátricas são chamadas de ondas superlongas (VLW), as ondas quilométricas são chamadas de ondas longas (LW); hectométricas - ondas médias (MW), decâmetros - ondas curtas (HF) e cada vez mais oscilações de alta frequência com comprimentos de onda menores que 10 m são classificadas como ondas ultracurtas (VHF).
1. PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE RÁDIO DE FORMA GRATUITA
ESPAÇO
O sistema de transmissão de informações consiste em três partes principais: um transmissor, um receptor e um link intermediário - uma linha de conexão. O elo intermediário é o meio - o espaço no qual as ondas de rádio se propagam. Quando as ondas de rádio se propagam ao longo de caminhos naturais, ou seja, em condições onde a superfície terrestre, a atmosfera, o espaço sideral servem como meio, o meio é aquele elo do sistema de rádio que é praticamente incontrolável.
Quando as ondas de rádio se propagam em um meio, a amplitude do campo de onda muda, a velocidade e a direção da propagação mudam, o plano de polarização gira e os sinais transmitidos são distorcidos. A este respeito, ao projetar linhas de comunicação de rádio, é necessário:
determinar as ondas operacionais ótimas sob determinadas condições de propagação;
determinar a verdadeira velocidade e direção de chegada dos sinais;
leve em consideração possíveis distorções do sinal transmitido e determine medidas para eliminá-las.
Para resolver esses problemas, é necessário conhecer as propriedades elétricas da superfície terrestre e da atmosfera, bem como os processos físicos que ocorrem durante a propagação das ondas de rádio.
A superfície da Terra tem um impacto significativo na propagação das ondas de rádio:
na superfície semicondutora da Terra, as ondas de rádio são absorvidas;
quando caem na superfície da terra, são refletidos;
a forma esférica da superfície terrestre impede a propagação retilínea das ondas de rádio.
As ondas de rádio que se propagam nas proximidades da superfície da Terra são chamadas ondas de rádio terrestre(1 na Fig.1.1). Considerando a propagação das ondas terrestres, a atmosfera é considerada um meio sem perdas com permissividade relativa ε igual à unidade. A influência da atmosfera é levada em consideração separadamente, fazendo as correções necessárias.
Na atmosfera que envolve a Terra, existem três áreas que afetam a propagação das ondas de rádio: a troposfera, a estratosfera e a ionosfera. Os limites entre essas áreas não são claramente expressos e dependem do tempo e da localização geográfica.
Troposfera chamada de camada superficial da atmosfera, estendendo-se a uma altura de 7-18 km. Na troposfera, a temperatura do ar diminui com a altura. A troposfera é heterogênea tanto na direção vertical quanto ao longo da superfície terrestre. Seus parâmetros elétricos mudam quando as condições meteorológicas mudam. Na troposfera ocorre uma curvatura da trajetória das ondas de rádio terrestres 1, denominada refração. distribuição ondas de rádio troposféricas 2 é possível devido à sua dispersão e reflexão das heterogeneidades da troposfera. As ondas de rádio nas faixas de milímetros e centímetros são absorvidas na troposfera.
Estratosfera estende-se desde a tropopausa até altitudes de 50-60 km. A estratosfera difere da troposfera em uma densidade de ar significativamente menor e na lei da distribuição de temperatura ao longo da altura: até uma altura de 30 a 35 km, a temperatura é constante e depois sobe acentuadamente até uma altura de 60 km . A estratosfera tem a mesma influência na propagação das ondas de rádio que a troposfera, mas se manifesta em menor grau devido à baixa densidade do ar.
ionosfera chamado de região da atmosfera a uma altitude de 60-10.000 km acima da superfície da Terra. Nessas altitudes, a densidade do ar é muito baixa e o ar é ionizado, ou seja, há um grande número de elétrons livres. A presença de elétrons livres afeta significativamente as propriedades elétricas da ionosfera e possibilita que ondas de rádio com mais de 10 m sejam refletidas da ionosfera. As ondas de rádio que se propagam por reflexão da ionosfera ou espalhamento nela são chamadas ondas ionosféricas 3. As propriedades da superfície terrestre e da troposfera têm pouco efeito sobre as condições de propagação das ondas ionosféricas.
As condições para a propagação das ondas de rádio 4,5 nas comunicações de rádio espaciais têm algumas características específicas, e para as ondas de rádio
Arroz. 1.2. Padrões de antena por
potência:
1 – emissor isotrópico; 2 - direcional
4 é influenciado principalmente pela atmosfera da Terra.
1.1. A fórmula para a transmissão perfeita
O espaço livre pode ser considerado como um meio homogêneo não absorvente com ε =1. Na realidade, tais meios não existem, mas as expressões que descrevem as condições de propagação das ondas de rádio neste caso mais simples são fundamentais. A propagação de ondas de rádio em casos mais complexos é caracterizada pelas mesmas expressões com a introdução de fatores nelas que levam em consideração a influência de condições específicas de propagação.
Para projetar vários sistemas de rádio, é necessário determinar a intensidade do campo elétrico da onda de rádio no local de recepção ou a potência na entrada do dispositivo de recepção.
Para o espaço livre, a densidade de energia P (W/m 2 ) a uma distância r (m) de uma fonte pontual que emite ondas de rádio uniformemente em todas as direções, está relacionada à potência irradiada por esta fonte Rizl (W) pela seguinte dependência:
onde P é o módulo vetorial de Poynting.
Na prática, a antena irradia energia em diferentes direções de forma desigual. Para levar em conta o grau de não uniformidade da radiação, introduz-se o coeficiente direcional da antena.
Diretividade da antena D mostra quantas vezes a densidade de potência muda a uma determinada distância do emissor com um emissor direcional em comparação com um emissor omnidirecional (isotrópico).
Ao usar um radiador direcional, ocorre uma redistribuição espacial de potência, fazendo com que a densidade de potência aumente em algumas direções e diminua em outras em relação ao caso de uso de um radiador isotrópico. O uso de antenas direcionais permite obter uma densidade de potência D vezes maior no ponto de recepção ou reduzir a potência do transmissor D vezes.
O valor de D é função dos ângulos de visão: no plano horizontal ξ e no vertical q (Fig. 1.2). Normalmente, a antena cria radiação máxima apenas em uma determinada direção (ξ0 θ0), para a qual D adquire um valor máximo D max =D(ξ0 θ0). A dependência de D nos ângulos ξ e θ é chamada padrão de antena em potência, e a relação F 2 (ξ,θ)= D(ξ θ)/D máx
Padrão de radiação normalizado em termos de potência (Fig. 1.2).
Densidade de potência à distância r de uma antena de radiação direcional
A amplitude da intensidade do campo elétrico de uma onda de rádio no espaço livre está relacionada à densidade de energia dessa onda (através da resistência do espaço livre Z0)
E 2 m c em \u003d 2Z 0 P \u003d 240p P,
de onde o valor da amplitude da intensidade do campo elétrico no espaço livre é determinado Em cv (V / m) a uma determinada distância r (m) do emissor:
(1.1)
A potência na entrada do receptor, combinada com a antena localizada a uma distância r do emissor,
A área efetiva da antena receptora, que caracteriza a área da frente de onda da qual a antena extrai energia.
É conveniente determinar a potência Рpr.sv diretamente através da potência Prad e o valor Drad da antena radiante:
Esta expressão é chamada a fórmula ideal de transmissão de rádio.
A atenuação da potência durante a propagação das ondas de rádio no espaço livre, definida como a relação Ppr.sv / Pizl, é denominada perda de transmissão em espaço livre. Com antenas de transmissão e recepção não direcionais, esta relação B 0 (dB) é calculado pela fórmula:
onde P - potência, W; r - distância, km; ƒ - frequência, MHz.
O uso de antenas direcionais equivale a um aumento na potência irradiada por um fator de.
Lembre-se de que a polarização das ondas de rádio é determinada pela orientação do vetor de força do campo elétrico da onda de rádio no espaço, e a direção do vetor determina a direção da polarização. Dependendo da mudança na direção do vetor
a polarização pode ser linear, circular e elíptico. O tipo de polarização das ondas de rádio no espaço livre é determinado pelo tipo de emissor (antena). Por exemplo, uma antena vibratória irradia uma onda polarizada linearmente no espaço livre.
Para obter ondas com polarização circular, basta ter dois vibradores lineares como antena transmissora, deslocados no espaço de 90 ° um em relação ao outro, e alimentá-los com correntes de igual amplitude com deslocamento de fase de 90 °. Ondas de rádio com polarização circular são emitidas, por exemplo, por antenas helicoidais e de catraca. Este tipo de polarização é amplamente utilizado em televisão e radar.
Uma onda elipticamente polarizada pode ser criada, por exemplo, usando antenas, na forma de dois vibradores cruzados, cujos braços são alimentados com correntes de diferentes amplitudes.
Para uma recepção efetiva, a natureza da polarização do campo da onda recebida e as propriedades de polarização da antena receptora devem corresponder. As fórmulas (1.2) e (1.3) são válidas se a natureza e a direção da polarização do campo elétrico e a antena receptora coincidirem. Se não houver correspondência, a potência na antena receptora é reduzida e as fórmulas acima são corrigidas. Por exemplo, para a recepção mais eficiente de uma onda com polarização linear, o vibrador da antena receptora deve ser orientado paralelamente ao vetor . Se a direção do vetor perpendicular ao eixo do vibrador receptor, não haverá recepção.
1.2. Área do espaço essencial para a propagação ondas de rádio método da zona de Fresnel
A formação do campo perto da antena receptora B (Fig. 1.3, a) é afetada por diferentes áreas de espaço livre por onde passam as ondas de rádio do emissor A. O emissor cria uma onda esférica, cada elemento da frente da qual é novamente uma fonte de uma onda esférica. A nova superfície de onda é encontrada como um envelope de ondas esféricas secundárias. O campo a alguma distância do emissor é determinado pela ação total de fontes secundárias. A principal contribuição para esse valor vem de fontes
localizados perto da linha reta AB. A ação de radiadores adjacentes secundários localizados a uma distância considerável dessa linha reta é mutuamente compensada.
Área essencial para a propagação de ondas de rádio, eles chamam a parte do espaço em que a principal fração de energia se propaga. Inomogeneidades do meio (por exemplo, obstáculos no caminho da onda) afetam as características do campo no ponto de recepção, se forem cobertos por uma área significativa durante a propagação. Esta área tem a configuração de um elipsóide de revolução com focos nos pontos A e B (Fig. 1.3, b). O raio da seção transversal do elipsóide a uma distância do ponto A e uma distância r0 do ponto B é determinado pela igualdade:
rn+ rn=r0+ r0+n (l/2)
e pode ser calculado a partir da equação,
onde é um número inteiro.
Uma região anular construída em um plano S, perpendicular à linha AB, com raios Rn é chamada zona de Fresnel números n (Fig. 1.3, c).
Se uma tela com um orifício redondo for colocada no caminho de propagação da onda (o plano da tela é perpendicular à linha AB), quando o raio do orifício mudar (ou a tela se mover ao longo do caminho), a intensidade do campo no ponto B mudará periodicamente (Fig. 1.4).
Arroz. 1.4. Mudança na força do campo ao longo
tela de buraco redondo
alteração do raio do furo R
(– raio da primeira zona de Fresnel)
A intensidade do campo será máxima quando o raio do furo na tela for igual ao raio da primeira zona de Fresnel e aos raios das zonas de Fresnel com os próximos números ímpares. Com um tamanho de furo grande (maior que o raio da sexta zona de Fresnel), a amplitude da intensidade do campo tende a Em St (Fig. 1.4), portanto, o raio da seção transversal da região que é significativa durante a propagação é considerado igual ao raio da zona de Fresnel com números 6-10. No entanto, para indicativos
cálculos, o tamanho da região significativa pode muitas vezes ser considerado igual ao raio da primeira zona de Fresnel.
1.3. Questões para auto-exame
1. Quais são as classificações das faixas de ondas de rádio? Dê essas classificações.
2. Por que existe uma tendência para o desenvolvimento de mais e mais faixas de ondas de rádio de alta frequência?
3. Qual é a sequência de projeto de enlaces de rádio?
4. Que fatores influenciam os tipos de caminhos de propagação das ondas de rádio?
5. Escreva a fórmula para uma transmissão ideal. Explique.
6. Quais são os tipos de polarização das ondas de rádio?
7. Por que é necessário levar em consideração a natureza da polarização da onda recebida e as propriedades de polarização da antena receptora para uma recepção efetiva?
8. Que parte do espaço é chamada de área essencial para a propagação das ondas de rádio?
9. Qual é o objetivo de introduzir o conceito de zonas de Fresnel?
10. Desenhe e explique um gráfico da dependência da intensidade do campo atrás de uma tela opaca em relação ao raio do orifício nessa tela.
2. INFLUÊNCIA DA SUPERFÍCIE TERRESTRE NA PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE RÁDIO
2.1. Absorção de ondas de rádio por vários tipos de superfície terrestre
Os pontos finais dos enlaces de rádio, na maioria dos casos, estão localizados próximos à superfície da Terra. A presença da superfície semicondutora da Terra provoca a absorção e reflexão das ondas de rádio, por vezes com alteração da polarização da onda. Quantitativamente, esses fenômenos dependem dos parâmetros elétricos da superfície terrestre: permissividade dielétrica ε e condutividade (Tabela 2.1). Os valores de ε e são determinados experimentalmente pela absorção de ondas de rádio pela superfície terrestre e reflexão a partir dela e dependem da estrutura da superfície terrestre, sua umidade, camadas, temperatura e também da frequência de operação.
A Tabela 2.1 mostra que com o aumento da frequência (diminuição do comprimento de onda) ε do mar e da água doce diminui. Essa diminuição de ε se deve ao fato de que as moléculas de água são polares e, à medida que a frequência aumenta, elas não têm tempo de se orientar na direção do campo elétrico.
O solo é um dielétrico complexo, constituído por um componente sólido - solo seco e um componente líquido - uma solução aquosa de sais. Os valores de ε e do componente líquido são significativamente maiores que os do componente sólido, e os parâmetros elétricos do solo são determinados principalmente pelas propriedades do componente líquido.
As condições para a propagação de ondas de rádio em um meio são caracterizadas por tangente de perda em um meio numericamente igual à razão das densidades de corrente de condução e deslocamento
Se, então a corrente de deslocamento predomina no meio e se aproxima do dielétrico em suas propriedades. Se, então, a corrente de condução prevalecer no meio e suas propriedades se aproximarem das de um condutor. A igualdade das densidades das correntes de condução e correntes de deslocamento ocorre em um determinado comprimento de onda limítrofe lgr. Sim, para água do mar
Portanto, para ondas de rádio na faixa do centímetro, a água do mar pode ser considerada como um dielétrico. Para solo úmido
Tabela 2.1
Valores de constante dielétrica e condutividade para os tipos mais típicos da superfície terrestre
Tipo de superfície ou cobertura do terreno
Comprimento de onda, m
Água do mar (t = 20 0 С)
Água doce de rios, lagos
Solo úmido (t = 20°C)
Solo seco (t = 20°C)
Gelo (t = -10° С)
Neve (t = -10° С)
solo congelado
Continuação da tabela. 2.1
Solo úmido para metros e comprimentos de onda mais curtos pode ser considerado como um dielétrico. Consequentemente, para ondas centimétricas, todos os tipos de superfície terrestre têm propriedades próximas às de um dielétrico ideal.
Quando as ondas de rádio se propagam em um meio semicondutor, a amplitude do campo diminui com a distância de acordo com uma lei exponencial e a fase muda linearmente. O valor instantâneo da intensidade de campo de uma onda que se propaga em um meio semicondutor na direção de um dos eixos de coordenadas é registrado
onde Em s é determinado a partir de (1.1).
O valor α caracteriza a perda de energia no meio e é chamado fator de amortecimento. Fisicamente, as perdas se devem à transição da energia das ondas eletromagnéticas para a energia térmica do movimento das moléculas. O valor b (coeficiente de fase) caracteriza a mudança de fase da onda. Essas quantidades podem ser escritas da seguinte forma:
A velocidade de movimento de uma dada fase na direção de propagação da onda nf, chamada velocidade de fase, está relacionado com o valor de β:
Atitude
chamado índice de refração meio Ambiente.
Comprimento de onda no meio
A absorção de ondas de rádio no meio é estimada pelo coeficiente integral Г e é expressa em decibéis:
A absorção linear é expressa em decibéis por metro:
As distâncias nas quais Em é enfraquecida por um fator de 10 6 (por 120 dB) durante a propagação de ondas de rádio em solo úmido e água do mar são dadas na Tabela 2.2.
Tabela 2.2
Distâncias em que a atenuação ocorre
Distância em que os valores Em são atenuados em 120 dB, m
solo úmido
água do mar
Consequentemente, para comunicação de rádio através da espessura da superfície da terra ou do mar (por exemplo, para comunicação com submarinos submersos), apenas ondas longas e ultralongas são aplicáveis.
2.2. Reflexão de ondas de rádio planas na superfície lisa da Terra
Uma onda eletromagnética, incidente em uma interface suave entre dois meios (Fig. 2.1), é parcialmente refletida desse limite (e o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão) e passa parcialmente para as profundezas do segundo meio. Portanto, no primeiro meio existem ondas incidentes e refletidas, e no segundo - uma onda refratada.
Dependendo da direção do vetor em relação à superfície da Terra, dois tipos de polarização são distinguidos - vertical e horizontal. Com polarização vertical, o vetor de intensidade do campo elétrico fica no plano de incidência da onda, ou seja, no plano perpendicular ao plano de separação e passando pela direção de propagação da onda incidente (Fig. 2.1, a). Com horizontal
Arroz. 2.1. Para a determinação do coeficiente de reflexão
polarização, o vetor de intensidade do campo elétrico é paralelo ao plano de interface (Figura 2.1, b).
Refletância de Fresnelé a razão das amplitudes complexas das intensidades de campo das ondas incidente e refletida, definidas em uma interface plana idealmente suave. Para ondas polarizadas vertical e horizontalmente incidentes do espaço livre em um semicondutor, os valores dos coeficientes Гв e Гг são calculados pelas fórmulas:
onde θincidência é o ângulo de incidência da onda na interface entre os meios; F é a sua fase.
Em alguns casos, é necessário conhecer a intensidade do campo ou a potência da onda que passa para o segundo meio. Para isso, utiliza-se o conceito coeficiente de transmissão F: . O coeficiente de transmissão pode ser expresso em termos do coeficiente de reflexão Г. Com polarização vertical
com polarização horizontal
2.3. Reflexão de ondas de rádio de uma superfície áspera
As coberturas naturais da terra raramente são completamente planas. A maior influência é exercida por irregularidades na reflexão de ondas de rádio ultracurtas e especialmente centimétricas e milimétricas. Portanto, na prática é importante poder determinar as características do campo refletido em superfícies irregulares. Ao contrário de uma superfície lisa, uma superfície áspera cria um sinal refletido não apenas na direção do ângulo de reflexão igual ao ângulo de incidência, mas também em outras direções, incluindo a inversa. Portanto, a presença de irregularidades leva a uma diminuição do coeficiente de reflexão efetivo na direção do feixe especular.
O principal fator na formação do campo refletido são as relações de fase determinadas pela diferença no caminho das ondas desde a fonte de radiação até os elementos da superfície. O sinal espalhado pode ter, além de uma componente de mesma polarização da onda incidente, uma componente de polarização ortogonal. O cálculo da intensidade do campo das ondas espalhadas é realizado no caso de grandes irregularidades pelo método de Kirchhoff e, no caso de pequenas irregularidades - pelo método de perturbação.
A formação da onda refletida é influenciada principalmente pela área da superfície delimitada pela 1ª zona de Fresnel. Para incidência de onda normal na superfície, a 1ª zona de Fresnel é um círculo com raio (ver (1.5)); para incidência oblíqua, é uma elipse, cujo eixo maior é estendido na direção de propagação da onda. As dimensões dos semi-eixos menor e maior da elipse da 1ª zona de Fresnel são respectivamente iguais a:
onde e são as distâncias das extremidades do percurso até o ponto de reflexão geométrica; - o ângulo de incidência da onda (Fig. 2.2, b).
Figura 2.3. Distância da linha de visão
sem e com refração
2.4. Classificação de casos de propagação de ondas de rádio terrestres
Ao calcular a intensidade do campo das ondas de rádio terrestres, a atmosfera é considerada um meio sem perdas com ε=1, e as correções necessárias, levando em consideração a influência da atmosfera, são introduzidas adicionalmente.
A influência da superfície terrestre nas condições de propagação das ondas de rádio pode ser reduzida a dois casos: o primeiro - o emissor ou antena receptora é elevado (em uma escala de comprimento de onda) acima da superfície da Terra, o segundo - a transmissão e antenas receptoras estão muito próximas da Terra.
No primeiro caso, típico de ondas de rádio ultracurtas e parcialmente curtas, o método de cálculo da intensidade do campo depende do comprimento do link de rádio em comparação com a distância da "linha de visão" (Fig. 2.3), calculada pela fórmula
onde = 6,37 10 6 m é o raio da Terra; e - alturas das antenas, m.
Com o comprimento do link de rádio< <0,2 земную поверхность можно считать плоской, при 0,2 < <0,8 вносятся поправки на сферичность земной поверхности, при >0,8 o cálculo da intensidade do campo é realizado levando em consideração a difração das ondas de rádio.
No segundo caso, relativo principalmente a ondas médias e longas, com comprimento de enlace rádio não superior a: 300-400 km (para λ, 200-20000 m); 50-100 km (para λ, 50-200 m); 10 km (para λ, 10-50 m) a superfície da Terra é considerada plana. Em links de rádio de maior comprimento, o cálculo da intensidade do campo é realizado levando em consideração a difração.
2.5. O campo do emissor levantado acima da superfície plana da Terra
Nesse caso, a onda atinge a superfície terrestre a uma distância considerável (na escala do comprimento de onda) do emissor, e a seção da frente de onda próxima à superfície terrestre pode ser considerada plana. Em um link de rádio de curta distância< 0,2 o поле в месте приема является результатом интерференции полей прямой волны и волны, отраженной от плоской земной поверхности (рис.2.4), причем напряженность электрического поля отраженной волны определяется при помощи коэффициентов отражения Френеля. Прямая волна распространяется по пути АВ, отраженная по пути АСВ, а линия АО есть направление максимального излучения передающей антенны. Результирующее поле определяется fórmula de interferência
onde é determinado a partir de (1.1),
Os ângulos θ1 e θ2 estão marcados na fig. 2.4. A raiz do trinômio nesta fórmula é chamada fator de interferência.
O coeficiente de reflexão da superfície terrestre Гw.g é determinado para a polarização correspondente de acordo com as fórmulas (2.7), (2.8). Para antenas fracamente direcionais, devido ao fato de que em uma ampla faixa de ângulos D(θ2)/D(θ1) 1, a fórmula de interferência é simplificada:
A presença da superfície terrestre altera a distribuição do campo emissor no plano vertical. O padrão de radiação do sistema emissor-Terra é recortado por muitos lóbulos, e o padrão de radiação do próprio emissor F(θ) representa o envelope desses lóbulos. A Figura 2.5 mostra os padrões de radiação resultantes dos sistemas vibrador vertical - Terra (a) e vibrador horizontal - Terra (b), quando o emissor é elevado a uma altura acima do solo, tomado como um dielétrico ideal.
Para o caso praticamente importante de propagação de ondas de rádio por raios rasantes (θ tende a 90 0), a fórmula (2.12) pode ser ainda mais simplificada. Tendo em conta que neste caso |Gv.g| 1, Fv.g (Fig. 2.1), intensidade de campo Em (V/m) dependendo
Arroz. 2.5. Padrões direcionais de antenas levantadas acima da superfície da Terra
distâncias r (m), comprimento de onda (m), alturas de antena (m) e potência P (W) são determinados pela fórmula proposta BA. Vvedensky:
Se um
então o cálculo de acordo com a fórmula acima dá boa concordância com os resultados da medição.
2.6. O campo de um emissor localizado perto de uma terra plana
superfícies
A ação de uma superfície idealmente condutora sobre um vibrador vertical pode ser substituída pela ação de um vibrador fictício de mesmo comprimento, localizado simetricamente ao vibrador principal em relação à superfície (Fig. 2.6). Então o campo elétrico na zona distante diretamente na superfície é determinado pela fórmula
onde é o comprimento efetivo de um vibrador real.
O padrão de radiação de tal antena tem uma radiação máxima ao longo da superfície. De acordo com as condições de contorno, o vetor é direcionado normalmente à superfície e, consequentemente, o vetor de propagação de energia é direcionado paralelamente à superfície. Condições próximas às consideradas são observadas na prática quando ondas longas se propagam sobre a superfície do mar.
Quando a fonte das ondas de rádio é um vibrador horizontal localizado acima de uma superfície perfeitamente condutora a uma altura muito menor que o comprimento de onda, a corrente na imagem espelhada do vibrador tem uma direção oposta à corrente no próprio vibrador. Os campos criados por esses vibradores perto da superfície se anulam e o campo resultante acaba sendo zero. Com condutividade não ideal da superfície terrestre, a compensação total não ocorre, no entanto, o campo de um vibrador horizontal é muito mais fraco que o campo de um vibrador vertical, portanto, o uso de um vibrador vertical é de maior interesse.
Se a superfície perto da qual o emissor vertical está localizado (Fig. 2.6, b) não for um condutor ideal, então parte da energia das ondas de rádio que se propagam da antena penetra profundamente na superfície terrestre. Conseqüentemente, além do componente P1g direcionado ao longo da superfície, existe um componente P1v direcionado perpendicularmente à superfície terrestre, como resultado do qual o vetor total P1 não é direcionado paralelamente à superfície terrestre e, consequentemente, o campo elétrico o vetor de força 1 é direcionado para a superfície da terra em um ângulo não igual a 90° e, além do componente vertical da intensidade do campo elétrico, existe um componente horizontal E1r. Com base em aproximado
condições de contorno de Leontovich - Shchukin (estabelece uma conexão entre os vetores e o campo eletromagnético do primeiro meio na superfície de um segundo meio bem condutor, onde é a resistência de onda complexa do segundo meio) obtenha a relação entre a vertical e componentes horizontais das amplitudes complexas da intensidade do campo elétrico perto da superfície da Terra:
Os componentes e campos são deslocados em fase, pelo que tem uma polarização elíptica. Condições de contorno estritas fornecem uma relação entre as amplitudes complexas dos componentes do campo no ar e no solo:
trilha homogênea. Para calcular Em1v diretamente na superfície, quando o emissor é um vibrador localizado próximo à superfície semicondutora, use a fórmula derivada simultaneamente MV Shuleikin e B. Van der Pol:
Arroz. 2.7. Para o cálculo da difração de ondas de rádio - esquema
propagação de ondas sobre a superfície esférica do globo
onde é determinado por (1.1); |W| é o multiplicador de atenuação, que é uma função do parâmetro,
Para valores > 25
|W| 1/ . (2.17)
trilha heterogênea. A intensidade do campo ao longo de um caminho não homogêneo constituído por duas seções cujos parâmetros elétricos diferem fortemente, por exemplo, quando se desloca do mar para a terra, é determinada por (2.15), onde o fator de atenuação |W| é calculado como a média geométrica dos fatores de atenuação de dois caminhos homogêneos fictícios: Ao calcular, os parâmetros e são levados, ao calcular, os parâmetros e.
refração costeira. A velocidade de fase de uma onda de rádio que se propaga perto da superfície da Terra depende de sua
parâmetros elétricos. Quando uma onda de rádio passa do mar para a terra (perto da costa), ocorre uma mudança na direção de propagação da onda, chamada refração costeira. Isso gera um erro na determinação da direção de chegada das ondas de rádio, o que é essencial para a operação dos sistemas de navegação por rádio.
2.7. Difração de ondas de rádio em torno de uma superfície esférica da Terra
O contorno dos obstáculos encontrados pelas ondas de rádio ao longo do caminho de sua propagação é chamado difração. Quando o comprimento do enlace de rádio e a altura das antenas forem tais que a área essencial para a propagação das ondas de rádio (1ª zona de Fresnel) seja parcial ou totalmente coberta pela convexidade da superfície terrestre, então a parte descoberta do 1º Zona de Fresnel ou zonas dos seguintes números, representando uma combinação de fontes de ondas esféricas , criam radiação não apenas na direção do movimento inicial da onda, mas também atrás da convexidade da superfície terrestre.
Distâncias próximas ao limite da linha de visada, quando a 1ª zona de Fresnel está apenas parcialmente fechada, são chamadas de penumbra(Fig. 2.7). As distâncias nas quais a 1ª zona de Fresnel é completamente coberta são chamadas de região de sombra.
Na área de sombra, o cálculo da intensidade do campo Em (mV/m) é feito de acordo com a fórmula proposta por B .MAS. fokom:
onde Em sv é determinado pela fórmula (1.1); G é o fator de atenuação, que é o produto de três funções, G = U(x)V()V (), onde U(x) é uma função da distância do transmissor, r (m); V() V() - funções da altura das antenas transmissoras e receptoras, ou, se as funções forem expressas em decibéis, então G (dB) é igual a
Os gráficos disponíveis na literatura são utilizados para determinar as funções U(x) e V(y).
O cálculo de acordo com esses gráficos é realizado principalmente para a banda VHF, onde são utilizadas antenas elevadas acima da superfície terrestre. O cálculo da intensidade de campo nas faixas de ondas longas, médias e até curtas, quando as antenas estão localizadas próximas à superfície da Terra, é simplificado, pois V() = V() = 1.
2.8. Questões para auto-exame
1. Escreva uma expressão para determinar a tangente do ângulo de perda, dê as explicações necessárias.
2. Em que faixa de ondas de rádio a densidade dos fluxos de deslocamento na superfície terrestre prevalece sobre a densidade das correntes de condução?
3. Em quais correntes de condução e deslocamentos o comprimento de onda limite é determinado?
4. Indique as características dos parâmetros das ondas rádio num meio semicondutor.
5. Explique por que apenas ondas longas e extralongas são aplicáveis para comunicação de rádio com submarinos submersos?
6. Quais coeficientes determinam a intensidade das ondas refletidas e refratadas? Para quais tipos de polarização esses coeficientes são determinados?
7. Explique as características da reflexão das ondas de rádio de uma superfície áspera.
8. Em que condições uma superfície áspera pode ser considerada lisa?
9. Dê uma classificação dos casos de propagação de ondas de rádio terrestres e explique-a.
10. Anote a fórmula de interferência e nomeie as condições para sua aplicabilidade.
11. Escreva a fórmula de Vvedensky. Sob quais condições a intensidade do campo pode ser calculada usando esta fórmula.
12. Explique as características do campo do emissor localizado perto da superfície plana da Terra.
13. Quais são os componentes do campo de um vibrador vertical localizado perto da superfície semicondutora da Terra?
14. Escreva e explique a fórmula de Shuleikin-Van der Pol.
15. Indique as características do cálculo da intensidade do campo ao longo de um caminho não homogêneo quando o emissor está localizado perto de uma superfície plana da Terra.
16. Em que faixa de ondas os erros na determinação das coordenadas do emissor, causados pela refração costeira, afetam significativamente?
17. Como a difração das ondas de rádio ao redor da superfície esférica da Terra é levada em consideração ao calcular a intensidade do campo?
3. A TROPOSFERA E SUA INFLUÊNCIA NA PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE RÁDIO
3.1 Composição e estrutura da troposfera
Troposfera- esta é a camada da atmosfera mais próxima da superfície terrestre, estendendo-se a uma altura de 8 a 10 km nas latitudes polares e até 16 a 18 km nos trópicos. A troposfera contém até 4/5 da massa de gases que compõem a atmosfera e quase toda a quantidade de vapor d'água.
Eletricamente, a troposfera é um meio muito heterogêneo, pelo que as trajetórias das ondas de rádio são dobradas nela e, consequentemente, a direção de chegada da onda e a intensidade do campo mudam a uma determinada distância.
Para levar em consideração a influência da troposfera na propagação das ondas de rádio, é necessário conhecer os padrões de variação de e, que são determinados pelas propriedades físico-químicas dos gases que entram na troposfera. A composição relativa do gás da troposfera permanece constante ao longo de toda a altura, apenas o conteúdo do vapor de água muda, o que depende das condições meteorológicas e diminui com a altura.
troposfera normal chamado de troposfera hipotética, cujas propriedades refletem o estado médio da troposfera real. A troposfera normal é caracterizada pelas seguintes propriedades: pressão na superfície da Terra (p = 0,1013 MPa), temperatura (T = 288 K) e umidade relativa (S = 60%). Com um aumento na altura a cada 100 m, a pressão diminui em 1,2 kPa, a temperatura - em 0,55 K. A altura de 11 km é considerada o limite da troposfera normal.
3.2 Constante dielétrica e índice de refração da troposfera
A permissividade relativa da troposfera (ar) só pode ser considerada aproximadamente igual à unidade. Na realidade, o valor é um pouco maior que a unidade e depende da pressão p (Pa) da temperatura T (K) e da umidade absoluta e (Pa)
O segundo termo em (3.1) expressa a mudança devido ao deslocamento de cargas elétricas em moléculas de gás apolares que compõem o ar sob a influência de um campo externo e a orientação de moléculas polares de vapor de água.
Índice de refração da troposfera
e está relacionado com a magnitude da troposfera pela expressão
Na superfície da Terra, o valor de n, dependendo das condições climáticas, é 1,00026-1,00046. Para cálculos, é mais conveniente usar uma quantidade chamada índice de refração reduzido da troposfera, N=(n-l) 10 6 , para a Terra N = 260 460.
Para uma troposfera normal, a mudança com a altura acima da superfície terrestre h (m) obedece à lei exponencial
onde z = 5,78 - desvio da unidade perto da superfície terrestre; - gradiente vertical em h = 0.
Uma dependência exponencial da altura é observada ao calcular a média de um número significativo de observações, enquanto curvas individuais específicas se desviam até certo ponto dessa lei. Os desvios são especialmente grandes no verão em altitudes de até 2 a 3 km, onde intensas camadas de nuvens e frequentes inversões de temperatura e umidade são observadas. Quase sempre há flutuações relativamente pequenas em relação à dependência exponencial causada pelo movimento turbulento do ar.
Essas flutuações são consideradas como inomogeneidades da troposfera. Os tamanhos de pequenas inomogeneidades são determinados por vários metros ou várias dezenas de metros, e o desvio do valor médio de N é DN = l 2. Pequenas inomogeneidades estão constantemente mudando, aparecendo e desaparecendo. Os valores médios de N sofrem mudanças sazonais e diárias, sendo que essas mudanças são máximas perto da superfície terrestre e caem quase a zero em altitudes de 7 a 8 km. Os valores máximos de N perto da superfície da Terra são observados em julho, o mínimo - em janeiro.
As variações sazonais nos valores de superfície N são acompanhadas por mudanças correspondentes em g. Os valores dos gradientes g e suas mudanças são especialmente grandes na camada superficial e diminuem com a altura. Os valores de e g dependem da localização geográfica do caminho e variam ao longo do próprio caminho.
Na camada de ar superficial, para simplificar os cálculos, é possível aproximar a lei exponencial da mudança com a altura - linear
O gradiente vertical efetivo do dielétrico permeabilidade da troposfera, representando um gradiente de altura tão constante que a intensidade do campo no ponto de recepção será a mesma que no caso de uma mudança real no caminho.
O valor médio do gradiente é obtido como resultado do processamento estatístico de um grande número de medições. Os valores obedecem à lei de distribuição normal com desvio padrão. Os valores médios (1/m) e desvios padrão (1/m) para diferentes regiões climáticas no verão, quando esses valores são máximos, variam dentro dos seguintes limites de a de a 11 . Existem mapas com isolinhas de valores médios mensais do índice de refração reduzido ao nível do mar.
A permissividade da troposfera pode ser determinada medindo a temperatura, pressão e umidade do ar usando instrumentos montados em aeronaves ou balões.
3.3. Refração das ondas de rádio na troposfera
refração chamada de curvatura da trajetória de uma onda de rádio quando ela se propaga em um meio não homogêneo. O fenômeno da refração na troposfera é explicado pela mudança na constante dielétrica e, conseqüentemente, no índice de refração n com a altura.
O raio de curvatura da trajetória das ondas de rádio na troposfera (desprezando a curvatura da superfície terrestre) pode ser determinado pela fórmula:
onde é o ângulo de incidência da onda na interface de refração;
dn/dh é o gradiente do índice de refração.
O sinal negativo do gradiente do índice de refração significa que o raio de curvatura é positivo e a trajetória da onda é convexa para cima, pois o índice de refração diminui com a altura.
Considerando que n l, e para o caso mais interessante de raios suaves sin 1, temos:
De (3.3) segue que o raio de curvatura da trajetória da onda de rádio na troposfera é determinado não pelo valor absoluto do índice de refração, mas pela taxa de sua mudança com a altura
Ao se propagar na troposfera normal, caracterizada por um gradiente de índice de refração constante, as trajetórias das ondas de rádio que viajam em pequenos ângulos para a superfície terrestre têm a forma de arcos circulares com raio R = 25.000 km.
A refração que ocorre na troposfera normal é chamada refração troposférica normal.
A contabilização da influência da refração troposférica com uma dependência linear do índice N na altura é simplificada, usando o raio equivalente da Terra Re. Suponhamos que as ondas de rádio que sofrem refração se propaguem não ao longo de trajetórias curvilíneas em um meio não homogêneo, como em condições reais, mas ao longo de trajetórias retilíneas em um meio homogêneo sobre alguma superfície imaginária, cujo raio de curvatura Re não é igual ao raio de a Terra: Ro = 6370 km (Fig. 3.1).
Além disso, assume-se que em casos reais e equivalentes, as trajetórias das ondas de rádio passam na mesma altura acima da superfície a distâncias iguais do emissor. Então o raio equivalente do globo é dado por
Para refração normal dN/dh -40 1/km e Re = 8500 km.
Os principais casos de aplicação do conceito de raio equivalente da Terra são os seguintes.
A distância da linha de visão, levando em consideração a refração, é determinada pela fórmula
Em condições normais de refração
onde é a distância em metros; é a altura da antena em metros.
Com refração normal, a distância da linha de visão aumenta em 15%.
Sob a influência de diversas condições meteorológicas na troposfera, pode ocorrer uma alteração no índice de refração com a altura, que difere significativamente das condições que determinam a ocorrência da refração normal. De acordo com isso, a refração pode ser negativa, ausente ou positiva (Fig. 3.2).
Com refração negativa, N não diminui, como de costume, com a altura, mas, ao contrário, aumenta, ou seja, dN/dh>0. ao mesmo tempo R.<0 и
траектория радиоволны обращена выпуклостью вниз - радиоволна удаляется от
поверхности Земли.
Se N permanece constante conforme a altitude muda, então não há refração.
Na prática, os casos mais comuns são quando N diminui com a altura, ou seja, dN/dh<0. Траектория радиоволны в этом случае обращена
выпуклостью вверх, наблюдается положительная рефракция. Положительная
рефракция подразделяется на reduzido(o raio de curvatura da trajetória da onda de rádio é maior do que com refração normal), normal, aumentou(o raio de curvatura da trajetória da onda de rádio é menor do que com refração normal), crítico(o raio de curvatura da trajetória das ondas de rádio é igual ao raio do globo) e superrefração(o raio de curvatura da trajetória da onda de rádio é menor que o raio do globo).
Arroz. 3.2. Tipos de refração das ondas de rádio na troposfera:
1 - refração negativa; 2 – refração positiva; 3 – refração crítica; 4 - superrefração
Com a superrefração, as ondas de rádio emitidas em ângulos de elevação baixos sofrem reflexão interna total nas camadas inferiores da troposfera e retornam à superfície da Terra. Com sucessivas reflexões da superfície terrestre, as ondas de rádio podem se propagar por distâncias consideráveis além da "linha de visão".
3.4. Absorção de ondas de rádio na troposfera
Ondas de rádio longas, médias e curtas não sofrem absorção na troposfera.
Para ondas menores que 10 cm, a atenuação da energia de radiofrequência na troposfera começa a aumentar sensivelmente. Isso é causado pela absorção e dispersão por formações de gotas ou hidrometeoros (principalmente na chuva, nevoeiro; granizo, neve são menos afetados), bem como por partículas sólidas (poeira, fumaça, etc.). A absorção é causada por perdas térmicas em partículas de água ou poeira, e as perdas por espalhamento são devidas à redistribuição de energia no espaço.
Se a onda viaja na troposfera, o caminho r e a distância caem na zona de precipitação, então a força do campo atrás da zona de precipitação Em oc é determinada pela fórmula:
onde Em é a intensidade do campo no espaço livre a uma distância r do emissor (1.1);
Гoc - coeficiente de atenuação, dB/m.
A dependência do coeficiente de atenuação Гoc do comprimento de onda durante a propagação de ondas centimétricas e milimétricas na chuva e neblina é mostrada na (Fig. 3.3).
Ondas de rádio centimétricas são espalhadas por pingos de chuva e neblina, o que leva ao aparecimento de sinais de radar refletidos. Sinais refletidos de chuva e nuvens ocupam uma grande área nas telas das estações de radar, o que interfere no funcionamento normal dessas estações. Para atenuar os reflexos da chuva, as estações de radar utilizam ondas de rádio com polarização circular.
Arroz. 3.4. A dependência do coeficiente de absorção em oxigênio e vapor de água no comprimento de onda
Ondas de rádio menores que 3 cm também experimentam absorção molecular em oxigênio e vapor d'água, que é observada mesmo em uma atmosfera "limpa" e é causada pelo gasto de energia para excitar os átomos. O coeficiente de atenuação pode ser determinado usando os gráficos em (Fig. 3.4), e a intensidade do campo Em à distância pode ser calculada usando a fórmula:
A absorção mais intensa é observada nas ondas 0,25; 0,5; 1,35 cm - essas ondas são inadequadas para o trabalho. As "janelas de transparência" da atmosfera estão próximas às ondas com comprimento de 0,4 e 0,8 cm - essas ondas são recomendadas para operação na faixa de centímetros.
3.5. Questões para auto-exame
1. Explique as características da composição e estrutura da troposfera.
2. O que é a troposfera normal?
3. Como a permissividade da troposfera se relaciona com as condições meteorológicas?
4. Qual é a natureza das pequenas irregularidades na troposfera.
5. Como explicar a presença do fenômeno da refração na troposfera.
6. Como o raio de curvatura da trajetória da onda depende da permissividade?
7. Por que é introduzido o conceito de raio equivalente da Terra?
8. Quais são as condições necessárias para a ocorrência da superrefração das ondas de rádio?
9. Que tipos de refração existem? Explique as características de cada tipo.
10. A que fatores se deve a absorção das ondas de rádio na troposfera?
11. O que é a "janela de transparência" da atmosfera?
4. IONOSFERA E SEU EFEITO NA PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE RÁDIO
4.1. Ionização e recombinação de gás na ionosfera
A ionosfera é uma região da atmosfera localizada a uma altitude de 60-10.000 km, onde o gás é parcial ou totalmente ionizado, ou seja, contém um grande número de elétrons livres. A presença de elétrons livres nas camadas superiores da atmosfera determina os parâmetros elétricos do gás ionizado - sua constante dielétrica e condutividade.
O número de elétrons contidos em uma unidade de volume de ar é chamado densidade eletrônica ().
As densidades de elétrons e íons da ionosfera não são constantes em altura, o que leva à refração e reflexão das ondas de rádio na ionosfera.
As inomogeneidades volumétricas do gás ionizado causam a dispersão das ondas de rádio. Esses fenômenos determinam as condições de propagação das ondas de rádio na ionosfera e em alguns casos podem ser utilizados, enquanto em outros devem ser levados em consideração na operação de enlaces de rádio. Nesse sentido, tornou-se necessário estudar a estrutura da ionosfera e suas mudanças regulares e aleatórias.
A ionosfera como um todo é quase neutra, ou seja, os números de cargas positivas e negativas presentes nela são iguais. A composição do gás nessa região da atmosfera difere da composição do gás próximo à superfície da Terra: além do oxigênio molecular e do nitrogênio, existem átomos dessas substâncias, e os gases não se misturam e estão dispostos em camadas em de acordo com seu peso molecular.
A temperatura do gás, partindo de uma altura h = 80 km, aumenta gradativamente, atingindo 2.000-3.000 K em h = 500 600 km. O aumento da temperatura com a altura na ionosfera é explicado pelo fato de o ar aqui ser aquecido diretamente pela radiação solar.
A principal fonte de ionização da atmosfera terrestre são as ondas eletromagnéticas da radiação solar com comprimento inferior a 0,1 mícron - a parte inferior da faixa ultravioleta e raios-X suaves, bem como fluxos de partículas carregadas emitidas pelo Sol. O ultravioleta e os raios X produzem ionização apenas na parte iluminada do globo e mais intensamente nas regiões equatoriais. As partículas carregadas movem-se ao longo de linhas espirais na direção das linhas do campo magnético para os pólos magnéticos do globo e produzem ionização principalmente nas regiões polares. Acredita-se que o efeito ionizante do fluxo de partículas não seja superior a 50% do efeito ionizante da radiação ultravioleta do Sol.
Além do Sol, a fonte da radiação ionizante são as estrelas, principalmente aquelas que apresentam alta temperatura (cerca de 20.000°C) e geram intensa radiação ultravioleta. Mas devido à grande distância das estrelas, o efeito ionizante de sua radiação é aproximadamente 0,001 parte do efeito ionizante do Sol. A ionização também é criada por meteoros que invadem a atmosfera terrestre a velocidades de 11 a 73 km/s. Além de aumentar o nível médio de ionização, os meteoros criam ionização local: uma coluna de gás ionizado se forma atrás do meteoro, que se expande e se dissipa rapidamente, existindo na atmosfera de um a vários segundos. Essas trilhas de meteoros ionizados são formadas a uma altitude de 80 a 120 km acima da superfície da Terra.
Simultaneamente ao aparecimento de novos elétrons na ionosfera, alguns dos elétrons existentes desaparecem, juntando-se moléculas positivas e neutras. Nesse caso, moléculas neutras e íons negativos são formados.
O processo de reunificação de partículas carregadas e a formação de moléculas neutras é chamado recombinação.
Após o término da fonte de ionização, a densidade eletrônica diminui de acordo com a lei hiperbólica. Portanto, com o pôr do sol, a ionização nas camadas inferiores da ionosfera não desaparece instantaneamente, mas nas camadas superiores persiste durante toda a noite.
4.2. A estrutura da ionosfera
O quadro geral da distribuição da densidade eletrônica ao longo da altura h acima da superfície da Terra é mostrado na (Fig. 4.1). A uma altitude de 250-400 km, há um máximo de ionização principal. A região da ionosfera abaixo do máximo de ionização principal é comumente chamada de ionosfera interna, e a região da ionosfera acima do máximo principal - ionosfera externa. A mais estudada é a ionosfera interna.
Na ionosfera interna, existem vários máximos de concentração de elétrons vagamente expressos, condicionalmente chamados de camadas (regiões), que geralmente são denotadas pelos símbolos D, E, F1 e F2. As regiões ionosféricas D, E e F1 têm uma constância bastante alta, o que se manifesta no fato de que a variação diária da densidade eletrônica e a altura de sua localização permanecem quase inalteradas. Com o início da escuridão, as regiões D e F1 desaparecem devido à rápida recombinação. Ao mesmo tempo, a concentração de elétrons da região E permanece constante durante a noite.
Na região F2, a concentração de elétrons e a altura do local máximo mudam significativamente de um dia para o outro. Ao mesmo tempo, a ionização é diferente no verão e no inverno. No inverno (no hemisfério norte), a concentração de elétrons nessa região aumenta. A variação diária da densidade eletrônica na região F2 também depende da latitude geomagnética (distância em graus de arco do equador magnético da Terra até o ponto de observação).
A ionosfera também não é homogênea na direção horizontal. Os gradientes horizontais máximos de densidade de elétrons são observados durante o pôr do sol e o nascer do sol, mas são muito menores que os gradientes verticais.
Junto com as regiões consideradas regulares da ionosfera, às vezes a uma altura de 95-125 km, forma-se a chamada camada esporádica E (camada), na qual a concentração de elétrons é várias vezes maior que a concentração da região E. A camada em latitudes médias é mais frequentemente formada durante o dia nos meses de verão. Nas regiões polares, a camada ocorre principalmente à noite.
Como a radiação solar é a principal fonte de ionização da atmosfera da Terra, a atividade do Sol depende
e o processo de ionização. Percebe-se que a atividade do Sol muda com uma frequência de 11 anos. O critério da atividade solar é o número relativo de manchas solares, que caracteriza a área da superfície do Sol, que possui a temperatura mais alta. Atualmente, foram desenvolvidos métodos para prever o número de manchas solares por muitos anos à frente e com mais precisão nos próximos anos. Prever o número de manchas solares é importante devido ao fato de que a densidade de elétrons da ionosfera está correlacionada com os números mensais médios de manchas solares. A densidade máxima de elétrons aumenta de 1,4 a 3 vezes durante a transição do mínimo para o máximo da atividade solar.
A estrutura de camadas regulares da ionosfera é perturbada de tempos em tempos, e essas perturbações são causadas por uma mudança na atividade do Sol, que é observada especialmente durante os anos de atividade solar máxima. As explosões que ocorrem no Sol de tempos em tempos são a causa da erupção de fluxos de partículas carregadas que entram na atmosfera da Terra e interrompem o regime normal de ionização da ionosfera. A estrutura da ionosfera também é perturbada sob a influência de processos que ocorrem na crosta terrestre e nas camadas inferiores da atmosfera, por exemplo, durante erupções vulcânicas.
Arroz. 4.1. distribuição eletrônica
densidade sobre a altura da atmosfera
A mudança na ionização é acompanhada por uma mudança no campo magnético da Terra e esse fenômeno é chamado ionosférico - magnético tempestades. Durante uma tempestade magnética ionosférica, a densidade eletrônica diminui na região da camada F. Violações desse tipo podem durar de várias horas a dois dias e ocorrem principalmente nas regiões polares.
De tempos em tempos, flashes de intensa radiação ultravioleta ocorrem no Sol, causando aumento da ionização da ionosfera inferior na camada D. Esse fenômeno pode durar de alguns minutos a várias horas e ocorre apenas no lado iluminado do globo.
Estudos mostraram que, além de mudanças regulares e irregulares nos valores médios da densidade eletrônica na ionosfera, existem flutuações contínuas da densidade eletrônica. Condensações e rarefações da densidade de ionização ocorrem continuamente na ionosfera, irregulares tanto no tempo quanto de ponto a ponto. Além disso, sob a influência dos ventos, toda a estrutura não homogênea da ionosfera se move. As razões para a formação de inomogeneidades na ionosfera são o movimento turbulento do ar e a inomogeneidade da ionização.
Heterogeneidades são algumas áreas com uma densidade eletrônica diferente do valor médio da densidade eletrônica em uma determinada altura da ionosfera. As dimensões das inomogeneidades a uma altura de 60-80 km na camada D chegam a várias dezenas de metros, na altura da camada E - 200-300 m, e na camada F o tamanho das inomogeneidades atinge vários quilômetros, e elas têm uma forma alongada e são alongados ao longo das linhas de força de um campo magnético constante.
O desvio da densidade eletrônica de não homogeneidades do valor médio da densidade eletrônica em uma determinada altura é (0,1 - 1)%; a velocidade do movimento caótico é de 1-2 m/s.
4.3. Permissividade dielétrica e condutividade de gás ionizado (plasma)
A permissividade relativa de um gás ionizado difere da unidade devido ao fato de que sob a ação do campo elétrico da onda transmitida, os elétrons recebem um deslocamento em relação à posição de equilíbrio e o gás é polarizado. Além dos elétrons, a ionosfera contém íons e moléculas neutras que realizam movimento térmico aleatório. Ao colidir com partículas pesadas, os elétrons transferem para elas a energia recebida da onda eletromagnética. Durante as colisões, essa energia é convertida na energia do movimento térmico de partículas pesadas, o que leva à absorção de ondas de rádio no gás ionizado.
A permissividade e a condutividade específica de um gás ionizado são determinadas pelas expressões
onde é a massa do elétron (9,109 10 -31 kg); e - carga do elétron (1,60 10 -19 C); - o número de colisões de um elétron com partículas pesadas, ocorrendo em 1 s, determinado pelo movimento térmico das partículas; Ne - densidade eletrônica, cm -3.
Para altas frequências, quando 2 >> 2 , o valor de 2 pode ser desprezado em relação a 2 . Então as expressões para c, levando em consideração a substituição de valores numéricos e nelas, podem ser escritas:
Usando a frequência da onda eletromagnética (kHz), é conveniente escrever a fórmula para e na seguinte forma:
Esta é a fórmula de cálculo básica para determinar permissividade relativa de gás ionizado. Obviamente, a uma densidade eletrônica significativa, a permissividade do gás pode ser igual a zero.
A frequência na qual a condição e = 0 é satisfeita,
chamado frequência natural do gás ionizado ou a frequência de Langmuir e é um parâmetro do gás ionizado, conveniente para estimar as condições de propagação das ondas de rádio.
A expressão (4.3) pode ser reescrita de forma diferente, usando o conceito de frequência natural do gás ionizado:
No< относительная диэлектрическая проницаемость e оказывается меньше нуля. Это значит, что коэффициент преломления является мнимой величиной. В такой среде электромагнитные колебания не распространяются и быстро затухают.
4.4. A velocidade de propagação das ondas de rádio em um ambiente ionizado
gás (plasma)
A constante dielétrica do gás ionizado é menor que a unidade e depende da frequência das oscilações, portanto, a velocidade de propagação das ondas de rádio no gás ionizado depende da frequência de operação. Ambientes nos quais a velocidade de propagação das ondas de rádio depende da frequência são chamados dispersando. Nos meios dispersivos, distinguem-se as velocidades de fase e de grupo de propagação das ondas de rádio. A velocidade da frente de onda é chamada de velocidade de fase. A velocidade de fase para meios que se aproximam em suas propriedades de um dielétrico é determinada por (2.6). Portanto, para um gás ionizado, sem levar em conta as perdas, conforme a expressão (4.5)
(4.6)
A velocidade de fase de uma onda em um gás ionizado é maior que a velocidade da luz no espaço livre. No entanto, a velocidade de propagação do sinal não pode ser maior que a velocidade da luz no espaço livre. Sinais de duração finita, contendo vários períodos completos de oscilações (um grupo de ondas), se propagam com uma velocidade de grupo. As componentes harmônicas do sinal em um meio dispersivo se propagam com diferentes velocidades de fase, o que leva à distorção do sinal.
Debaixo velocidade de grupo entender a velocidade de propagação do envelope máximo do sinal. A velocidade de grupo está relacionada com a velocidade de fase pela relação de um gás ionizado
Quando a frequência de operação se aproxima da frequência natural do gás ionizado (à), a velocidade de grupo diminui (à0) e a velocidade de fase aumenta acentuadamente ().
4.5. Absorção de ondas de rádio em um gás ionizado (plasma)
O coeficiente de atenuação das ondas de rádio em um gás ionizado é determinado por (2.2) substituindo os valores e de (4.1) e g de (4.2) nele.
A absorção de ondas de rádio está associada a colisões de elétrons com moléculas e íons e à transição de energia eletromagnética em energia térmica do movimento de partículas pesadas. Nesse processo, é importante a relação entre o período das oscilações eletromagnéticas (T=1/) e o tempo médio entre duas colisões de um elétron com moléculas ou íons. Em baixas frequências em T> a energia de uma onda eletromagnética é transferida de um elétron para uma partícula pesada em pequenas porções, em T< соударения происходят редко в масштабе периода радиоволны. В том и другом случаях поглощение мало. При T наступает явление резонанса между частотой колебаний электрона под действием электромагнитного поля и тепловым движением частиц, причем поглощение существенно возрастает. Поэтому частотная зависимость коэффициента поглощения описывается кривой (рис. 4.2), имеющей максимум в области частоты, близкой к величине, т. е. наблюдается явление резонанса. В нижних слоях ионосферы 10 7 1/с и условие = / выполняется для волн длиной около 200 м. Поэтому в диапазоне коротких волн происходит уменьшение поглощения с повышением частоты, а в диапазоне волн длиннее 200 м поглощение увеличивается с повышением частоты.
Arroz. 4.3. Esquema de reflexão de ondas de rádio da ionosfera
4.6. Refração e reflexão de ondas de rádio na ionosfera
Uma densidade de elétrons perceptível aparece na atmosfera a partir de uma altura de cerca de 60 km. Além disso, a densidade eletrônica da ionosfera varia com a altura acima da superfície da Terra e, conseqüentemente, as propriedades elétricas da ionosfera não são uniformes em altura.
Quando uma onda de rádio se propaga em um meio não homogêneo, sua trajetória é curva. Com uma densidade eletrônica suficientemente alta, a curvatura da trajetória da onda pode ser tão forte que a onda retorna à superfície da Terra a alguma distância do local da radiação, ou seja, a onda de rádio é refletida na ionosfera.
A reflexão das ondas de rádio enviadas da superfície da Terra para a ionosfera ocorre não no limite do gás ionizado pelo ar, mas na espessura do gás ionizado. A reflexão pode ocorrer apenas naquela região da ionosfera onde a permissividade diminui com a altura e, consequentemente, a densidade eletrônica aumenta com a altura, ou seja, abaixo da densidade eletrônica máxima da camada ionosférica.
A condição de reflexão relaciona o ângulo de incidência da onda no limite inferior da ionosfera com a permissividade na espessura da própria ionosfera e n na altura onde as ondas são refletidas (Fig. 4.3):
Quanto maior o valor de N e, menores os ângulos possíveis de reflexão. O ângulo no qual a reflexão ainda é possível sob determinadas condições é chamado ângulo crítico.
A partir da expressão (4.8) é possível determinar a frequência de operação na qual as ondas são refletidas da ionosfera no caso de dados densidade de elétrons e ângulo de incidência:
Se a onda incide normalmente na ionosfera, então
Com incidência normal da onda, a reflexão ocorre na altura onde a frequência de operação é igual à frequência natural do gás ionizado e, portanto, e=0. Na incidência oblíqua, as ondas de rádio de frequência mais alta podem ser refletidas nessa altura. O assim chamado lei da secante, que consiste no fato de que, com incidência oblíqua, uma onda é refletida com uma frequência segundos vezes maior que a frequência da onda refletida quando a onda incide verticalmente em uma camada de uma dada densidade de elétrons:
Quanto maior a densidade de elétrons, mais altas frequências a condição de reflexão é satisfeita.
A frequência máxima na qual uma onda é refletida no caso de incidência vertical na camada ionosférica é chamada crítico
frequência; reflexão ocorre perto do máximo de ionização da camada:
A esfericidade da Terra limita o ângulo máximo q (Fig. 4.3)
e, consequentemente, as frequências máximas de ondas de rádio que podem ser refletidas da ionosfera em uma dada densidade de elétrons.
4.7. Influência de um campo magnético constante nos parâmetros elétricos de um gás ionizado (plasma)
O gás ionizado da ionosfera está em um campo magnético constante, cuja força é = 40 A/m.
Na presença de um campo magnético constante, as condições para o movimento dos elétrons mudam, fazendo com que os parâmetros elétricos do gás ionizado também mudem.
Constante dielétrica do gás ionizado em caso de propagação longitudinal, quando a onda se propaga na direção das linhas de força de um campo magnético constante, sem levar em conta as perdas (= 0), é determinado pela fórmula
Uma onda polarizada linearmente se decompõe em duas componentes polarizadas em um círculo e se propagando em velocidades diferentes, o que é caracterizado por sinais diferentes em (4.13).
Com propagação longitudinal de ondas de rádio, o plano de polarização gira - o vetor gira em um plano perpendicular à direção de propagação da onda por um ângulo
(4.14)
onde r é o caminho percorrido pela onda na ionosfera.
Este fenômeno é chamado efeito Faraday.
Em um diferente caso de propagação transversal, quando a direção de propagação da onda é perpendicular à direção das linhas de força de um campo magnético constante, a onda se divide em componentes ordinárias e extraordinárias.
Por comum componente
e a propagação ocorre da mesma forma que na ausência de um campo magnético constante.
Por extraordinário componente
Depois de passar uma certa distância na ionosfera na presença de um campo magnético constante, o eixo maior da elipse de polarização da onda gira no ângulo determinado por (4.14). Os componentes ordinários e extraordinários são refletidos em diferentes alturas na ionosfera. Para refletir o componente extraordinário, é necessária uma densidade eletrônica menor. A frequência crítica do componente extraordinário é maior que a do ordinário:
que é usado na prática de comunicação de rádio.
A investigação experimental da ionosfera é realizada principalmente com o auxílio de métodos de rádio, ou seja, estudando as condições de passagem e reflexão das ondas de rádio na ionosfera.
4.8. Questões para auto-exame
1. Especifique as fontes de ionização do gás na ionosfera. Qual fonte é a principal?
2. Que processo é chamado de recombinação?
3. Explique as características estruturais da ionosfera.
4. Escreva uma expressão para determinar a constante dielétrica de um gás ionizado, explique-a.
5. Por que os elétrons têm uma influência muito maior na propagação das ondas de rádio do que os íons?
6. Como a condutividade de um gás ionizado muda se a densidade de elétrons dobra?
7. Que frequência é chamada de frequência natural do gás ionizado?
8. É possível um processo de onda em um meio onde a permissividade relativa é menor que zero?
9. Quais mídias são chamadas de dispersivas?
10. Mostre que o gás ionizado é um meio dispersivo.
11. Qual é a forma do gráfico da dependência da frequência do coeficiente de absorção das ondas de rádio na ionosfera?
12. Indique as características de refração e reflexão das ondas de rádio na ionosfera.
13. A onda percorreu certa distância no gás ionizado na direção das linhas de força do campo magnético constante. Que mudanças ocorreram na estrutura do campo de onda?
14. Que componentes do campo elétrico podem existir em um gás ionizado se a direção de propagação da onda for normal à direção das linhas de força de um campo magnético constante?
5. CARACTERÍSTICAS DE PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE RÁDIO EM DIFERENTES BANDAS
5.1 Características da propagação de ondas superlongas e longas
A faixa de onda ultralonga (VLW) inclui ondas com um comprimento de
10.000 a 100.000 m (= 30 3 kHz), e para ondas longas (LW) - ondas de 1.000 a 10.000 m (= 300 30 kHz).
As correntes de condução para as faixas LW e DW prevalecem significativamente sobre as correntes de deslocamento para todos os tipos de superfície terrestre. Portanto, durante a propagação de uma onda de superfície, ocorre apenas uma leve penetração de sua energia nas profundezas da Terra. A esfericidade da Terra, que serve de obstáculo à propagação retilínea das ondas de rádio, permanece proporcional ao comprimento de onda até distâncias de 1.000 a 2.000 km, o que contribui para um bom arredondamento do globo por ondas longas devido à difração. Perdas insignificantes e arredondamento da superfície terrestre possibilitaram que DW e LW se propagassem como uma onda terrestre a uma distância de até 3.000 km. Nesse caso, para uma distância de 500-600 km, a intensidade do campo elétrico pode ser determinada por (2.15) e, para grandes distâncias, o cálculo é feito de acordo com as leis da difração.
A partir de uma distância de 300-400 km, além da onda terrestre, há uma onda refletida da ionosfera. Com o aumento da distância, a intensidade do campo elétrico da onda refletida da ionosfera aumenta e, a distâncias de 700 a 1.000 km, os campos da Terra e das ondas ionosféricas tornam-se aproximadamente iguais. A superposição dessas duas ondas dá o padrão de interferência do campo.
A uma distância de mais de 3000 km, DW e LWW se propagam apenas pela onda ionosférica. Para refletir ondas longas, uma baixa densidade de elétrons é suficiente, de modo que durante o dia essas ondas podem ser refletidas no limite inferior da camada D e à noite - no limite inferior da camada E. A condutividade nesta região de a ionosfera para DW é bastante significativa (mas milhares de vezes menor que a condutividade da superfície terrestre seca) e as correntes de condução são da mesma ordem que as correntes de deslocamento. Consequentemente, a região inferior da ionosfera para DW tem as propriedades de um semicondutor.
No DW e especialmente no LWW, a densidade de elétrons das camadas D e E muda acentuadamente ao longo do comprimento de onda. Portanto, a reflexão aqui ocorre como na interface ar-semicondutor, sem a penetração da onda de rádio na espessura do gás ionizado. Esta é a razão da fraca absorção de DW e LWW na ionosfera.
A distância da superfície terrestre até o limite inferior da ionosfera é de 60 a 100 km, ou seja, da mesma ordem que o comprimento de onda (LW e LW), de modo que as ondas se propagam entre duas esferas concêntricas semicondutoras próximas, uma dos quais é a Terra, e o outro é a ionosfera. As condições de propagação neste caso são aproximadamente as mesmas de um guia de onda dielétrico (Fig. 5.1).
Como em qualquer guia de ondas, pode-se notar ondas ideais são as ondas que se propagam com a menor atenuação, e onda crítica. Para um guia de ondas formado pela Terra e a ionosfera, ondas com comprimento de 25 a 35 km são ideais e uma onda com comprimento de 100 km é crítica. Como as leis de propagação de ondas de rádio em guias de ondas convencionais, em um guia de ondas ionosférico esférico, a velocidade de fase das ondas de rádio excede a velocidade da luz no espaço livre. Em frequências acima de 10 kHz, a diferença entre a velocidade de fase e a velocidade da luz é pequena, aproximadamente () - 1 = (1 5) 10 -3 . No entanto, a velocidade de fase muda com a distância do transmissor. Além disso, depende da densidade eletrônica e do número de colisões de elétrons com moléculas na região da ionosfera onde as ondas de rádio são refletidas. Isso leva à instabilidade da fase da onda, principalmente nas horas da manhã e da noite, quando a altura de reflexão das ondas longas muda, o que deve ser levado em consideração ao operar sistemas de radionavegação de ondas longas. O cálculo da intensidade do campo elétrico Em (mV/m) para DW e LW é realizado de acordo com A fórmula empírica de Austin:
onde r é a distância ao longo do grande círculo da Terra, km; q é o ângulo central correspondente a esta distância; P - potência do transmissor, kW; l - comprimento de onda, km.
Arroz. 5.1. Distribuição de DV e ADD em
guia de ondas Terra - ionosfera
Arroz. 5.2. Fading perto e longe em ondas médias:
1 - onda terrestre; 2 – onda refletida da ionosfera uma vez; 3 - onda refletida da ionosfera duas vezes
A fórmula de Austin é aplicável para distâncias de até 16.000-18.000 km no mar e na terra e, neste último caso, a partir de distâncias de 2.000-3.000 km.
Ondas longas e especialmente ultralongas são pouco absorvidas ao passar para a terra ou mar. Assim, ondas com comprimento de 20 a 30 km podem penetrar várias dezenas de metros no mar (ver Tabela 2.1) e, portanto, podem ser usadas para comunicação com submarinos submersos, bem como para comunicação de rádio subterrânea.
A principal vantagem do DW é a maior estabilidade da intensidade do campo elétrico: a intensidade do sinal muda pouco durante o dia e ao longo do ano e não está sujeita a mudanças aleatórias. A intensidade do campo elétrico necessária para recepção pode ser alcançada a uma distância de mais de 20.000 km, mas isso requer transmissores poderosos e antenas volumosas.
A desvantagem das faixas LW e VLF é a impossibilidade de usá-las para transmitir fala ou música conversacional de alta qualidade e, mais ainda, imagens, pois isso requer uma ampla banda de frequência. Atualmente, LW e LWW são usados principalmente para comunicação telegráfica em longas distâncias, bem como para navegação e observação de tempestades.
Nas bandas LW e LWB, o ruído atmosférico é o mais intenso, cuja origem são as trovoadas. Durante uma descarga atmosférica, ocorre um poderoso pulso de corrente, que tem caráter aperiódico ou de oscilações amortecidas e tem duração
0,1 3 ms. Tal impulso cria um espectro contínuo de frequências com máximo na região de 3-8 kHz, que cai na região de altas frequências de acordo com a lei 1/ . No caso em que a interferência é causada por uma tempestade que ocorre perto do ponto de recepção (tempestade local), a intensidade do campo de interferência diminui inversamente com a frequência. No entanto, a principal fonte de interferência são as tempestades que ocorrem ao longo do ano nas regiões equatoriais do globo - os centros de atividade das tempestades. A dependência da frequência da intensidade da interferência criada pelos centros de atividade das tempestades é diferente das tempestades locais, pois também é determinada pelas condições de propagação das ondas de rádio do local de interferência ao ponto de recepção.
As ondas de rádio de vários comprimentos que ocorrem durante uma descarga atmosférica se propagam de forma semelhante às ondas de seus respectivos alcances. Uma descrição quantitativa das mudanças temporais e geográficas no nível de ruído atmosférico é feita por métodos estatísticos baseados nos resultados do processamento de dados de medição de longo prazo. Para cada estação do ano e para intervalos de seis horas da hora do dia, são compilados mapas com isolinhas dos valores médios da intensidade do campo de ruído atmosférico na frequência de 1 MHz. Também são compilados dados sobre a distribuição estatística de valores instantâneos da intensidade do campo de interferência atmosférica, a partir dos quais é determinada a probabilidade de ocorrência de grandes emissões de interferência.
5.2. Características da propagação de ondas médias
A faixa de onda média (MW) inclui ondas de rádio l = 100 1000 m (= 0,34 3 MHz). A gama CB é utilizada para radiodifusão, radionavegação, radiotelegrafia e comunicações radiotelefónicas; O SW pode ser propagado por ondas terrestres e ionosféricas.
A força do campo elétrico das ondas terrestres é determinada para pequenas distâncias de acordo com (2.15) e para grandes distâncias - de acordo com as leis da difração. SW experimenta absorção significativa na superfície semicondutora da Terra, de modo que o alcance de propagação da onda terrestre é limitado a uma distância de 1000 km. Também deve ser levado em consideração que o desnível da superfície terrestre reduz a condutividade efetiva do solo. Aproximadamente para terreno plano = (0,5 0,7) , para montanhoso = (0,15 0,2) , para áreas de permafrost.
SWs se propagam por longas distâncias apenas à noite por reflexão da camada E da ionosfera, cuja densidade de elétrons é suficiente para isso. Durante o dia, a camada D está localizada no caminho de propagação SW, que absorve fortemente a energia dessas ondas. Portanto, nas potências de transmissor comumente usadas, a intensidade do campo elétrico em grandes distâncias é insuficiente para a recepção, e durante o dia a propagação do SW ocorre praticamente apenas pela onda terrestre.
A absorção na faixa SW aumenta com o encurtamento do comprimento de onda e a força do campo elétrico da onda ionosférica é maior em comprimentos de onda mais longos. A absorção aumenta durante os meses de verão e diminui durante os meses de inverno. Distúrbios ionosféricos não afetam a propagação de SW, uma vez que a camada E é pouco perturbada durante tempestades magnéticas ionosféricas.
O desbotamento em ondas médias é observado apenas à noite, quando a alguma distância do transmissor é possível que ondas espaciais e de superfície cheguem ao ponto B (Fig. 5.2), e o comprimento do caminho da onda espacial muda com a mudança de a densidade eletrônica da ionosfera. Uma mudança na diferença de fase dessas ondas leva a uma flutuação da intensidade do campo elétrico no tempo, chamada quase desaparecendo. A uma distância considerável do transmissor (ponto C), as ondas podem chegar por uma ou duas reflexões da ionosfera. Uma mudança na diferença de fase dessas duas ondas também resulta em uma oscilação na intensidade do campo, chamada desvanecimento distante. A taxa de desvanecimento é baixa (o período de desvanecimento é de 1 a 2 min).
Para combater o desbotamento na extremidade transmissora do link de rádio, são usadas antenas com padrões de radiação pressionados contra a superfície da Terra. Com esse padrão de radiação, a zona de quase desvanecimento se afasta do transmissor e, a grandes distâncias, o campo da onda que veio de duas reflexões é enfraquecido.
A intensidade do campo de ondas ionosféricas a distâncias >300 km é determinada a partir de gráficos obtidos como resultado do processamento de um grande número de observações.
5.3. Características da propagação de ondas curtas
A faixa short poly (KB) inclui ondas com comprimento de 10 a 100 m (= 30 3 MHz). As ondas na faixa KB são propagadas pela onda terrestre a uma distância não superior a 100 km devido à forte absorção na superfície da Terra e às más condições de difração. O cálculo da intensidade do campo de ondas terrestres deve ser realizado de acordo com (2.15).
A onda ionosférica KB se propaga por muitos milhares de quilômetros. Neste caso, podem ser utilizadas antenas direcionais e transmissores de potência não muito alta. Portanto, os KB são usados principalmente para comunicação e transmissão em longas distâncias.
A propagação de HF por uma onda ionosférica ocorre por reflexões sucessivas da camada F (às vezes a camada E) da ionosfera e da superfície da Terra. Nesse caso, as ondas passam pela região inferior da ionosfera - camadas E e D, onde sofrem absorção (Fig. 5.3, a). Para que a radiocomunicação seja realizada em HF, duas condições devem ser atendidas: as ondas devem ser refletidas da ionosfera e a intensidade do campo eletromagnético em um determinado local deve ser suficiente para a recepção, ou seja, a absorção da onda em as camadas da ionosfera não devem ser muito grandes. Essas duas condições limitam a faixa de frequências operacionais utilizáveis.
Para refletir uma onda, é necessário que a frequência de operação não seja muito alta e que a densidade eletrônica da camada ionosférica seja suficiente para refletir essa onda de acordo com (4.9). A partir desta condição, é selecionada a frequência máxima aplicável (MUF), que é o limite superior da faixa de operação.
A segunda condição limita a faixa operacional abaixo: quanto menor a frequência operacional (dentro da faixa de ondas curtas), mais forte é a absorção da onda na ionosfera (ver Fig. 4.2). A menor frequência utilizável (LPF) é determinada a partir da condição de que, para uma determinada potência do transmissor, a intensidade do campo eletromagnético deve ser suficiente para a recepção.
A densidade eletrônica da ionosfera varia durante o dia e durante o ano. Isso significa que os limites da faixa de operação também mudam, o que leva à necessidade de alterar o comprimento de onda operacional durante o dia: durante o dia eles trabalham em ondas de 10 a 25 m e à noite em ondas de 35 a 100 m. A necessidade da escolha correta do comprimento de onda para as sessões de comunicação em diferentes horários complica o projeto da estação e o trabalho do operador.
A zona de silêncio KB é chamada de área anular que existe a alguma distância da estação transmissora, dentro da qual é impossível receber ondas de rádio. A aparência da zona de silêncio é explicada pelo fato de que a onda terrestre atenua e não atinge essa região (ponto B na Fig. 5.3, a), e para ondas ionosféricas incidentes em pequenos ângulos na ionosfera, as condições de reflexão ( 4.9) não forem atendidas. Os limites da zona de silêncio (BC) se expandem com um encurtamento do comprimento de onda e uma diminuição na densidade de elétrons.
Arroz. 5.4. Dispersão distante do solo de ondas curtas
O desbotamento na banda HF é mais profundo do que na banda MW. A principal causa do desvanecimento é a interferência de feixes que se propagam por uma ou duas reflexões da ionosfera (Fig. 5.3, a). Além disso, o desvanecimento é causado pelo espalhamento de ondas de rádio nas heterogeneidades da ionosfera e pela interferência de ondas espalhadas (Fig. 5.3, b), bem como pela interferência dos componentes ordinários e extraordinários da onda magneticamente dividida (Fig. 5.3, c). O processamento das medidas em curtos intervalos de tempo (até 5 min) mostrou que as funções de distribuição de amplitude estão próximas da distribuição de Rayleigh. Em grandes intervalos de tempo de observação, a distribuição é mais próxima do log-normal. Para combater o desbotamento, é usada a recepção de diversidade de antena.
Os sinais recebidos na diversidade da antena são adicionados após a detecção. A diversidade de polarização é eficaz - recepção em duas antenas com polarização mutuamente perpendicular. Antenas receptoras com padrão de radiação estreito, orientadas para receber apenas um dos feixes, também são utilizadas.
Sob condições favoráveis de propagação, os CVs podem dar a volta ao mundo uma ou várias vezes. Então, além do sinal principal, um segundo sinal pode ser recebido, que é atrasado em cerca de 0,1 s e é chamado eco de rádio. O eco do rádio tem um efeito perturbador nas linhas meridionais. Ondas curtas durante a propagação sofrem dispersão no solo (Fig. 5.4). Nem toda a energia de uma onda incidente em uma superfície irregular da Terra (feixe 1) é refletida especularmente, parte dela é espalhada em diferentes direções (feixes 2, 3, 4, 5). Nesse caso, parte da energia, refletida da ionosfera, retorna ao local de radiação da onda de rádio (feixe 5). Ondas retroespalhadas podem ser recebidas no ponto de emissão, o que indica a possibilidade de ondas de rádio de uma determinada frequência passarem ao longo do caminho. Este fenômeno é chamado efeito Kabanov, é usado para corrigir as frequências de operação: antes do início da transmissão, os sinais com modulação de pulso são enviados na frequência de operação selecionada. Pelo atraso de tempo e pela distorção dos pulsos retroespalhados, a escolha correta da frequência de operação é julgada.
O cálculo do KB das linhas de comunicação é dividido em duas etapas: determinação da variação diária das frequências máximas utilizáveis (MUF) e frequências ótimas de operação (ORF); determinação da intensidade do campo elétrico no local de recepção ou determinação da variação diária das menores frequências utilizáveis (LLF).
5.4. Características da propagação de ondas ultracurtas no espaço da superfície
Propriedades gerais. A faixa de ondas ultracurtas (VHF) inclui ondas de rádio com comprimento de 10 m a 1 mm (= 30 MHz Z 10 5 MHz). No limite de frequência inferior, a faixa de VHF é adjacente à de HF. Esse limite é determinado pelo fato de que em VHF, via de regra, a condição de reflexão das ondas de rádio da ionosfera (4.8) não pode ser satisfeita. No limite superior de frequência, o VHF faz fronteira com ondas infravermelhas longas. A faixa VHF é dividida em sub-faixas de ondas métricas, decimétricas, centimétricas e milimétricas, cada um com suas próprias características de propagação, mas as principais disposições são características de toda a faixa de VHF. As condições de propagação dependem do comprimento da linha de comunicação e das especificidades da rota.
Devido ao seu curto comprimento, os VHFs difratam mal em torno da superfície esférica da Terra e grandes irregularidades na superfície da Terra ou outros obstáculos. As antenas tendem a estar localizadas a uma altura considerável acima da superfície da Terra, uma vez que, em primeiro lugar, a distância da linha de visão aumenta (ver (2.11), (3.5)) e, em segundo lugar, o efeito de blindagem de objetos locais localizados perto da antena diminui. Neste caso, como regra, a condição é satisfeita sob a qual a altura da antena é muito maior que o comprimento de onda e o cálculo da intensidade do campo pode ser realizado usando as fórmulas de interferência (2.12), (2.13). Se esta condição não for atendida (estações portáteis ou de carros operando em ondas métricas), o cálculo é feito de acordo com (2.15).
Na faixa VHF, a superfície da Terra pode ser considerada como um dielétrico ideal, e as propriedades condutivas da superfície da Terra devem ser levadas em consideração somente quando as ondas métricas se propagam sobre a superfície do mar. Portanto, uma mudança nas propriedades condutoras do solo (uma mudança em seu teor de umidade) praticamente não afeta a propagação de ondas ultracurtas. Mas de acordo com (2.9), mesmo pequenas irregularidades na superfície da Terra alteram significativamente as condições de reflexão de VHF da superfície da Terra.
Distribuição de VHF dentro da linha de visão. Reflexão da superfície da Terra. Em distâncias muito menores que o limite da linha de visão (3,5), pode-se ignorar a influência da esfericidade da Terra e a influência da refração das ondas de rádio na troposfera. As características da propagação VHF neste caso são a grande estabilidade e invariância do nível do sinal ao longo do tempo com um transmissor e receptor estacionários. O cálculo da intensidade do campo pode ser realizado de acordo com a fórmula de Vvedensky (2.14), se as condições para a aplicabilidade desta fórmula forem atendidas.
No link de rádio Terra - aeronave ou durante a observação de radar de uma aeronave, o sinal flutua devido a uma mudança no ângulo de observação quando a aeronave se move e à irregularidade do padrão de radiação do sistema emissor - Terra (ver Fig. 2.8).
Em distâncias dentro de 0,2< <0,8 , необходимо учитывать влияние сферичности
Земли. Одновременно следует учитывать влияние рефракции, используя принцип
эквивалентного радиуса Земли (см.(3.4)). 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.
reflexões de radar. As reflexões VHF de uma superfície terrestre irregular são de particular importância na tecnologia de radar. Basicamente, eles são de natureza difusa e parte da energia refletida é direcionada para a fonte. Tais reflexões são frequentemente referidas como sinais de interferência que dificultam o reconhecimento de alvos de radar úteis. No entanto, as reflexões do solo para a fonte são usadas em observações aéreas da superfície da Terra, como a altimetria.
Valores aleatórios da amplitude do sinal emitido por um radar em movimento (por exemplo, de uma aeronave) e refletido pela superfície terrestre obedecem à lei de Rayleigh. Somente quando refletido de águas calmas e de áreas planas do deserto há um componente constante e a lei de distribuição de amplitudes corresponde à lei de Rayleigh generalizada. A função de correlação do sinal é descrita por uma lei exponencial, e a escala de correlação depende tanto da altura das irregularidades quanto da velocidade da fonte.
Propagação de VHF em terrenos acidentados e em cidades. Geralmente existem grandes ou pequenas irregularidades ao longo da linha de comunicação VHF que afetam a propagação das ondas de rádio. No caso geral, esse efeito não pode ser levado em consideração. Para calcular a intensidade do campo elétrico em cada caso específico, é necessário construir um perfil de caminho e, dependendo da natureza desse perfil, realizar o cálculo por um método ou outro. Vamos considerar vários exemplos de perfis de rastreamento.
A pista passando por pequenas colinas suaves. Na (Fig. 5.5, a), é mostrado o perfil do caminho, no qual a antena transmissora está localizada em uma encosta suave. Nesse caso, o feixe direto AB e três feixes refletidos, i, podem chegar à antena receptora. Ao calcular a intensidade do campo elétrico, deve-se levar em consideração a diferença de fase desses raios, devido à diferença de caminho e diferentes condições de reflexão nos pontos, u. Como resultado da consideração dessa imagem, pode-se obter uma expressão para o cálculo da intensidade do campo, semelhante às fórmulas de interferência, porém mais complexa. A Figura 5.5b mostra um perfil com uma colina no meio do caminho. No caso mais simples, apenas um raio chega ao ponto B e é refletido no ponto C. Para calcular esse caminho, é conveniente introduzir o conceito alturas de antena reduzidas h 1pr e H 2pr e reduzir o problema ao caso bem conhecido da propagação de ondas de rádio sobre um plano fictício tangente à superfície da Terra no ponto de reflexão.
Arroz. 5.6. Propagação VHF em caminho com obstáculo, caminhos abertos e caminhos fechados ( uma); dependência do multiplicador
enfraquecendo V do parâmetro z(b)
Arroz. 5.7. Esquema do percurso com "obstáculo de reforço"
Um caminho que passa por uma colina alta ou serra. Para uma determinação aproximada da intensidade do campo em um caminho com uma alta colina ou cordilheira, pode-se usar a teoria da difração de ondas eletromagnéticas em uma tela opaca em forma de cunha. Se o obstáculo não bloquear a linha de visão entre as antenas, o caminho é chamado abrir; quando o obstáculo se eleva acima da linha de visão, o percurso é chamado fechado(Fig. 5.6, a).
Se o obstáculo se sobrepõe pelo menos parcialmente à primeira zona de Fresnel (1.5), a intensidade do campo eletromagnético no caminho muda. Ao usar antenas altamente direcionais, as ondas irradiadas não caem em áreas planas da superfície terrestre e a intensidade do campo atrás do obstáculo é determinada pela fórmula Em = Em c in V, onde E m c in é encontrado conforme (1.1).
O fator de atenuação V depende do comprimento de onda e da "folga" d, que é considerado positivo para um caminho fechado e negativo para um caminho aberto. A Figura 5.6b mostra a dependência do fator de atenuação V no parâmetro z:
Um fenômeno chamado reforço por um obstáculo. Esse fenômeno consiste no fato de que a intensidade do campo eletromagnético de uma onda de rádio a uma certa distância além do obstáculo é maior do que à mesma distância do transmissor em um caminho sem obstáculos. Uma forma de explicar a amplificação pelo obstáculo é que o topo da montanha serve como um repetidor passivo natural (Figura 5.7). O campo que excita o topo da montanha consiste em duas ondas - AC direta e ADC refletida. As ondas difratam no topo pontiagudo da montanha, como em um obstáculo em forma de cunha, e se propagam para a área atrás da montanha. Nesse caso, dois feixes NEB e CB chegarão ao local da antena receptora B. Consequentemente, nas seções da rota transmissor - montanha e montanha - receptor, a propagação está dentro da linha de visão. Na ausência de um obstáculo a uma distância de 100-150 km, excedendo em muito o limite da linha de visão, apenas um campo muito fraco, devido à difração na superfície esférica da Terra e à refração, atinge o ponto receptor. Cálculos e experimentos mostram que tal obstáculo - um repetidor pode aumentar a intensidade do campo elétrico em 60-80 dB.
O uso do fenômeno de amplificação de obstáculos é economicamente benéfico, eliminando a necessidade de instalar estações retransmissoras de alta montanha.
Em algumas linhas de radiorretransmissão que passam em área plana, é construído um obstáculo de reforço artificial em forma de grade ou sistema de fios, que proporciona um ganho de potência e permite reduzir a altura dos mastros das antenas.
Distribuição de VHF dentro de uma grande cidade. Uma cidade grande pode ser vista como uma área altamente acidentada. Numerosos experimentos mostraram que, em média, a intensidade do campo de ondas métricas e decimétricas na cidade é menor do que em áreas abertas, cerca de 3 a 5 vezes. Portanto, uma estimativa aproximada do nível médio da intensidade do campo nessas ondas pode ser feita de acordo com (2.14), introduzindo um fator de 0,2-0,4 nela. Na faixa de comprimento de onda em centímetros, a atenuação é ainda mais forte.
Se houver uma linha de visão direta entre as antenas transmissora e receptora, o cálculo pode ser feito de acordo com (2.14), e a altura da antena deve ser contada a partir do nível médio dos telhados.
No interior, a estrutura do campo é ainda mais complexa e quase impossível de calcular. As medições da intensidade do campo dentro das instalações mostraram que nas salas dos andares superiores a intensidade do campo é de 10 a 40% da intensidade do campo acima do telhado e no primeiro andar - 3 a 7% desse valor.
Propagação de VHF a longas distâncias em condições de superrefração. Em distâncias que excedem a distância da linha de visão, a intensidade do campo das ondas de rádio diminui drasticamente. A essas distâncias, a propagação ocorre devido à difração das ondas de rádio ao redor da superfície esférica da Terra, à refração das ondas de rádio na troposfera e à sua dispersão nas heterogeneidades da troposfera.
Um aumento acentuado na faixa de propagação do VHF ocorre quando a região de superrefrações ocupa distâncias consideráveis acima da superfície da Terra. Nesse caso, a onda de rádio se propaga pela alternância sucessiva de dois fenômenos: a refração na atmosfera e a reflexão na superfície terrestre. Este tipo de propagação de onda é chamado de guia de onda atmosférica. Mas, ao mesmo tempo, apenas parte da energia das ondas, que é usada para recepção, é refletida da atmosfera, e o restante, sendo refratado, sai pela parede superior do guia de ondas (Fig. 5.8). Para um guia de onda atmosférico de uma certa altura, por analogia com um guia de onda de metal, existe um certo comprimento de onda crítico. Ondas mais longas do que críticas decaem rapidamente e não se propagam. O comprimento de onda crítico l cr (m), está relacionado com a altura do guia de onda h em (m), a razão
A altura dos guias de ondas atmosféricos h atinge várias dezenas de metros, portanto, a propagação do guia de ondas é possível apenas para ondas centimétricas e decimétricas.
Sob as condições de um canal de guia de ondas, apenas os raios mais suaves são refletidos pelas paredes do canal, enquanto os raios mais acentuados penetram pelas paredes. Se o transmissor e o receptor estiverem dentro do guia de ondas, a recepção VHF é possível em longas distâncias. Caso contrário, o alcance da recepção pode até ser reduzido em comparação com as condições normais de refração.
Os guias de onda atmosféricos aparecem irregularmente e, portanto, é impossível garantir uma comunicação de rádio estável em longas distâncias na propagação do guia de ondas VHF. Mas esse fenômeno pode causar a criação de interferência mútua por estações que operam na faixa de ondas centimétricas e até separadas por longas distâncias. Além disso, a aparência de um guia de ondas atmosférico pode interferir na operação das estações de radar para detecção de aeronaves. Por exemplo, uma aeronave voando acima de um guia de ondas atmosférico pode não ser detectada devido às ondas de rádio refletidas na parede do guia de ondas.
Espalhamento de VHF nas inomogeneidades da troposfera.Inomogeneidades da troposfera são regiões nas quais a permissividade difere do valor médio da troposfera circundante. Sob a ação do campo da onda transmitida, correntes de polarização são induzidas em cada heterogeneidade da troposfera e um momento elétrico é criado. Como resultado, as inomogeneidades atuam como emissores secundários. A radiação secundária de um conjunto de inomogeneidades pode ser caracterizada por um certo padrão de radiação com um máximo de radiação na direção do movimento inicial da onda.
Arroz. 5.9. Diagrama de um link de rádio usando dispersão troposférica
O campo criado próximo à superfície terrestre é resultado da interferência de campos reirradiados por um grande número de inomogeneidades. Devido a mudanças na estrutura e localização das inomogeneidades, o campo flutua continuamente e é uma função aleatória do tempo. A natureza da distribuição dos valores instantâneos do nível do sinal depende do nível médio do sinal. Quanto mais baixo o nível, mais próxima a lei de distribuição da de Rayleigh. Em níveis de sinal altos, os valores instantâneos de sua amplitude são distribuídos de acordo com a lei de Rayleigh generalizada, que indica a presença no local receptor, além do componente de sinal que muda rapidamente, de um componente regular de variação lenta obtido por reflexão de heterogeneidades da troposfera em camadas.
O funcionamento de uma linha de comunicação utilizando o espalhamento de ondas de rádio por irregularidades na troposfera pode ser explicado da seguinte forma. Como resultado da interseção no espaço dos padrões de radiação das antenas transmissoras e receptoras, condicionalmente limitadas por linhas retas AD-AC 1 e BD-BC (Fig. 5.9), um volume atmosférico CDС 1 D 1 é formado, chamado volume de dispersão. Ele está envolvido na transmissão de ondas de rádio do ponto A ao ponto B. Para aumentar a intensidade do campo elétrico no ponto receptor, eles tendem a reduzir o ângulo entre a direção do movimento inicial da onda e a direção do ponto receptor (ângulo q na Fig. 5.9).
Uma característica das linhas de comunicação consideradas é sua banda estreita. A largura de banda máxima que pode ser transmitida sem distorção é determinada pelo tempo de atraso do feixe AC1 em relação ao feixe AC1B, ou seja, a largura dos padrões da antena. Praticamente com distorções aceitáveis, é possível transmitir uma faixa de frequência de 1-2 MHz.
cálculo de potência na entrada de uma antena receptora em uma linha de comunicação usando troposcatter, desenvolvido por cientistas soviéticos sob a orientação de B. A. Vvedensky e M. A. Kolosov.
Para combater o desvanecimento, a recepção é realizada em antenas espaçadas (duas ou quatro). Os sinais recebidos nessas antenas são adicionados após a detecção.
Diversidade de frequência também é usada, quando a mesma informação é transmitida simultaneamente na frequência 1 e frequência 2 = 1 + D , e D / = (2 5) 10 -3 . O desvanecimento nessas duas frequências não está correlacionado. O mais forte dos dois sinais é recebido ou os sinais são adicionados após a detecção.
Espalhamento e reflexão de ondas métricas na ionosfera. Camadas ionizadas são caracterizadas por alta heterogeneidade. A presença de inomogeneidades volumétricas locais na ionosfera leva ao espalhamento VHF, que ocorre de forma semelhante ao espalhamento nas inomogeneidades da troposfera.
A dispersão das ondas de rádio ocorre a uma altitude de 70 a 90 km, o que limita o comprimento máximo do link de rádio a uma distância de 2.000 a 2.300 km. A parte principal da energia da onda incidente na ionosfera é dissipada na direção do movimento inicial da onda. Quanto maior o ângulo entre a direção da antena receptora e a direção do movimento inicial da onda, menor o nível de potência do sinal espalhado. Portanto, a recepção só é possível a distâncias superiores a 800-1000 km. A intensidade do campo do sinal disperso diminui com o aumento da frequência operacional e ondas com frequência de 30-60 MHz são aplicáveis para comunicação. Os sinais com este tipo de comunicação de rádio em ondas métricas estão sujeitos a um desvanecimento rápido e profundo.
A recepção de duas antenas é usada para combater o desbotamento.
As grandes vantagens da comunicação de rádio por dispersão ionosférica de ondas métricas em comparação com as linhas de comunicação em HF são a possibilidade de operação 24 horas por dia em uma frequência operacional e a ausência de interrupções na comunicação. Essas linhas alcançam maior confiabilidade nas comunicações radiotelegráficas nas regiões subpolares. No entanto, a comunicação em ondas métricas requer o uso de transmissores com potência de cerca de 10 kW e antenas com ganho de 20-30 dB.
5.5. Características da propagação de ondas ultracurtas no espaço sideral
Os principais tipos de links de rádio espacial. Os links de rádio espacial resolvem as seguintes tarefas principais:
radiocomunicações terrestres e retransmissão de programas de radiodifusão e televisão através de repetidores localizados em satélites artificiais da Terra;
radiocomunicação de espaçonaves tripuladas com a Terra e entre si;
monitoramento de rádio do vôo e controle de vôo de espaçonaves;
transmissão da espaçonave de informações radiotelemétricas (resultados das medições do modo de operação do equipamento, parâmetros de voo, dados de observações científicas);
exploração espacial, coleta de dados meteorológicos e geodésicos.
A radiocomunicação espacial também inclui a propagação de ondas de rádio ao longo dos caminhos Terra-planeta, entre dois planetas, entre dois correspondentes localizados no planeta.
Os satélites artificiais da Terra (AES) têm trajetórias com três seções características. Na seção inicial da trajetória
um satélite com um veículo lançador, com seus motores funcionando, se move em camadas relativamente densas da atmosfera. É aqui que os estágios gastos do foguete são separados. Na segunda seção da trajetória, a velocidade do satélite excede ligeiramente a primeira velocidade cósmica, e o movimento ao redor da Terra ocorre em uma órbita elíptica em uma atmosfera altamente rarefeita. O terceiro trecho da trajetória corresponde ao retorno do satélite, sua entrada nas densas camadas da atmosfera. Os satélites que não retornam não têm uma terceira perna da trajetória.
As características da comunicação de rádio na primeira e na terceira seções da trajetória se devem ao fato de que um acúmulo de gás ionizado de alta densidade eletrônica é formado próximo ao satélite (várias ordens de magnitude acima da densidade eletrônica da ionosfera). A razão para a formação de ionização na primeira seção da trajetória é o gás de escape quente do motor, e na terceira seção - o aquecimento termodinâmico do ar quando o satélite se move em camadas densas da atmosfera (em altitudes inferiores a 100 km) em velocidade supersônica.
Na primeira e terceira seções da trajetória, as distâncias das estações terrestres ao satélite são pequenas e a propagação das ondas de rádio é realizada dentro da linha de visão.
Na segunda seção, dependendo da altura do satélite e do comprimento de onda operacional, a comunicação por rádio é possível tanto dentro da linha de visão quanto além dela. As condições de propagação das ondas de rádio são influenciadas pela troposfera e pelas camadas ionizadas da atmosfera terrestre.
As espaçonaves têm uma trajetória que também pode ser dividida em três segmentos, com as condições de comunicação de rádio no primeiro e terceiro segmentos para satélites e espaçonaves iguais. Na segunda seção da trajetória, a velocidade da nave excede a segunda velocidade cósmica, a nave sai do campo gravitacional da Terra e se move no espaço interplanetário. O comprimento do link de rádio entre a espaçonave e a Terra pode chegar a centenas de milhões de quilômetros.
A atmosfera da Terra, neste caso, também afeta as condições de comunicação de rádio.
Se uma espaçonave é direcionada para um dos planetas, quando a espaçonave entra na atmosfera do planeta, as condições de comunicação de rádio mudam dependendo das propriedades radiofísicas da atmosfera do planeta.
Características do meio interplanetário. No espaço interplanetário, a densidade de elétrons é igual à densidade de prótons, e o plasma como um todo é quase neutro. A distâncias superiores a 30 km do Sol, a velocidade do plasma pode ser considerada constante e igual a 500 km/s. Nessas distâncias, a concentração de elétrons N e cm -3, devido à constância do fluxo de partículas em um ângulo sólido unitário, depende da distância ao Sol r (km) de acordo com a lei
A uma distância de 150 10 6 km do Sol, a densidade eletrônica é N e = 2 – 20 cm -3 . O plasma interplanetário é um meio estatisticamente não homogêneo com um tamanho médio de irregularidades de cerca de 200 km. Além disso, existem irregularidades de grande escala com dimensões (0,1 - 1) 10 6 km. A força do campo magnético constante a uma distância de 150 10 6 km do Sol é = 4 10 -3 A/m. Após as explosões solares, a densidade de elétrons e a velocidade do fluxo de plasma, bem como a força do campo magnético constante, aumentam várias vezes. Um estudo experimental da passagem de ondas de rádio no espaço sideral a partir de uma fonte que emite um espectro branco (a constelação de Touro) ou oscilações monocromáticas (transmissores instalados em objetos espaciais) mostrou que o fluxo de energia VHF em ambos os casos praticamente não é absorvido pelo interplanetário médio. No entanto, foi estabelecido que o meio interplanetário causa o desvanecimento das ondas de rádio associado ao movimento das inomogeneidades do plasma.
Como as heterogeneidades do meio interplanetário são diferentes em diferentes regiões do espaço interplanetário e próximo ao sol, as flutuações de fases, amplitudes e mudanças no espectro de ondas de rádio dependem da localização do caminho relativo ao Sol.
Características do link de rádio VHF Terra - espaço. Perda de energia. No link de rádio Terra-espaço, o plasma interplanetário tem um fraco efeito de absorção ou dispersão nas ondas de rádio. O fator determinante é a atenuação do sinal devido ao grande comprimento do trajeto e absorção na atmosfera terrestre.
A faixa de frequências de rádio adequadas para comunicação de rádio com uma espaçonave é limitada pelas propriedades de absorção e reflexão da atmosfera terrestre. Ondas de rádio com mais de 10 m são refletidas da ionosfera e, portanto, inadequadas para comunicação com objetos localizados fora dela. A absorção de ondas de rádio na ionosfera diminui com o aumento da frequência operacional de acordo com uma lei quadrática. Com a passagem de toda a espessura da ionosfera por ondas com frequências acima de 100 MHz, a absorção não ultrapassa 0,1 dB. Durante rajadas de absorção, a perda em uma onda com frequência de 100 MHz aumenta para 1 dB e as condições para a passagem de ondas métricas pioram. O limite superior das frequências aplicáveis às radiocomunicações espaciais é determinado pela absorção das ondas de rádio na troposfera e é de aproximadamente 10 GHz. Quando um correspondente terrestre está localizado a uma altitude de cerca de 5 km, o limite superior das frequências de operação pode ser aumentado para 40 GHz.
Para comunicação de rádio com satélites, cuja trajetória passa abaixo do máximo principal da densidade de elétrons da ionosfera - a camada F2, são aplicáveis ondas curtas. A reflexão e a absorção de HF neste caso obedecem às mesmas leis dos enlaces terrestres de rádio de ondas curtas. Um aumento acentuado no nível do sinal recebido do satélite é observado quando o satélite passa sobre o ponto de recepção e sobre o ponto antípoda (efeito antípoda).
Girar o plano de polarização. Quando as ondas de rádio se propagam na ionosfera na presença do campo magnético constante da Terra, o plano de polarização da onda de rádio gira.
O valor máximo do ângulo de rotação do plano de polarização da onda (em graus) é determinado pela expressão obtida em (4.14) sob a hipótese de que a onda passa por toda a espessura da ionosfera na maior densidade eletrônica ( diurno, verão):
onde é a frequência de operação, MHz; - ângulo zenital verdadeiro do satélite (Fig. 5.10). Os valores de ymax para frequências de 500 MHz, 1 GHz, 3 GHz, at = , são respectivamente; ; .
A rotação do plano de polarização na ionosfera se manifesta em frequências muito altas e muda conforme o satélite se move pelo céu devido a mudanças no ângulo e flutuações na densidade eletrônica da ionosfera. Ao receber em uma antena polarizada linearmente, ocorre o desbotamento. Para eliminar o desvanecimento, são utilizadas antenas transmissoras e receptoras com polarização circular. Nesse caso, deve-se levar em consideração que apenas na parte central do diagrama é obtido um campo com polarização circular e nas bordas do diagrama - um campo com polarização elíptica. Isso causa uma perda de incompatibilidade de polarização de cerca de 0,5 dB. Se a antena integrada tiver uma polarização linear, ocorrerão perdas de até 3 dB.
Ondas de rádio desaparecendo. A dispersão da energia das ondas de rádio por não homogeneidades ionosféricas e a interferência de ondas diretas e espalhadas levam a flutuações na amplitude dos sinais de rádio que passaram pela ionosfera. Para garantir a recepção contínua de tais sinais, sua intensidade calculada deve ser escolhida mais por um valor. Os valores para frequências de 300 MHz, 1 GHz, 3 GHz são respectivamente 1,6; 0,5; 0,1 dB e mostre que a influência do espalhamento diminui com a frequência.
A diferença nos valores das frequências recebidas e transmitidas D é chamada
Mudança de frequência Doppler:
Arroz. 5.10. O esquema do link de rádio Terra - espaço:
MAS– antena terrestre; A PARTIR DE- satélite
Por exemplo, quando, r = 8 10 3 m/s Deslocamento de frequência Doppler = 0,02 0,2 MHz.
Quando as ondas de rádio emitidas por uma fonte em movimento passam por um meio não homogêneo, que muda aleatoriamente no tempo e no espaço, ele também muda aleatoriamente.
Assim, durante a passagem das ondas de rádio emitidas por uma espaçonave através da troposfera não homogênea, da ionosfera e do espaço sideral, a mudança é de natureza estatística.
Para reduzir o efeito prejudicial do deslocamento da frequência da portadora nas comunicações de rádio espaciais, os receptores usam o controle automático de frequência ou alteram a frequência do transmissor se a trajetória do emissor for conhecida com antecedência. Além disso, sob a influência do efeito Doppler, o espectro de frequência do sinal é deformado devido ao fato de que cada componente do espectro recebe seu próprio deslocamento.
A mudança de frequência Doppler é usada como um fenômeno positivo que permite determinar a velocidade de uma fonte ou refletor em movimento, se as propriedades do meio forem conhecidas. Eles também resolvem o problema inverso: medindo a mudança de frequência e conhecendo a velocidade do emissor, os parâmetros elétricos do meio são determinados.
Alterações na determinação das coordenadas de objetos espaciais por métodos de engenharia de rádio. A passagem das ondas de rádio na troposfera e na ionosfera é acompanhada por refração e uma mudança na fase e nas velocidades de grupo da propagação das ondas. Esses fatores são a causa de erros que devem ser levados em consideração ao determinar as coordenadas de objetos espaciais por métodos de engenharia de rádio. Os erros que surgem são eliminados através da introdução de alterações apropriadas.
5.6. Características da propagação de ondas ópticas e infravermelhas
Disposições gerais. A faixa óptica inclui oscilações eletromagnéticas com um comprimento de onda de 0,39-0,75 mícrons. A faixa do infravermelho (IR) inclui ondas com comprimento de 0,75 a 1000 mícrons, que ocupam uma posição intermediária entre as ondas ópticas e milimétricas. A faixa infravermelha é dividida em três áreas: radiação infravermelha próxima - de 0,75 a 1,5 mícrons, média - de 1,5 a 5,6 mícrons e distante - de 5,6 a 1000 mícrons. Os limites dos espectros de ondas de rádio ópticas, infravermelhas e milimétricas se sobrepõem mutuamente.
Ondas ópticas e infravermelhas podem ser focalizadas por lentes e espelhos, mudar sua direção após reflexão e refração e se decompor em um espectro por prismas. As ondas IR, como as ondas de rádio, podem passar por alguns materiais que são opacos para ondas ópticas. As ondas IR são amplamente utilizadas em várias indústrias.
A principal vantagem de muitos sistemas IR é que é possível usar radiação de alvos que são eles próprios fontes de radiação IR ou refletem radiação de fontes IR naturais. Tais sistemas são chamados passivos. Os sistemas IR ativos possuem uma fonte poderosa, cuja radiação, filtrada em uma parte estreita do espectro, é concentrada com a ajuda de um sistema óptico e direcionada na forma de um feixe estreito ao alvo.
Os sistemas IR têm alta resolução.
Atenuação de ondas ópticas e infravermelhas na atmosfera. A atenuação completa das ondas ópticas e infravermelhas na atmosfera se deve a vários fatores. É feita uma distinção entre a atenuação da luz em uma atmosfera livre de nuvens e nevoeiro e a atenuação da luz no nevoeiro.
A atenuação na atmosfera livre consiste na dispersão da luz por moléculas de gás e vapor de água e absorção seletiva. A potência transportada pelas ondas de luz e infravermelho que passaram por uma certa distância r na atmosfera é calculada de forma semelhante à potência de uma onda de rádio:
onde à é o coeficiente de absorção total em dB/km, igual a:
G=Gg+Gp+Gsel+Gt.
Aqui Гг e Гп são coeficientes de atenuação devido ao espalhamento por moléculas de gás e vapor; Gsel - coeficiente de absorção seletiva; Гт - coeficiente de absorção no nevoeiro.
O coeficiente de atenuação devido à dispersão de ondas nas moléculas de gás Gg (dB/km) à pressão do ar p (MPa), temperatura T (K) e comprimento de onda l (µm) é dado pela seguinte expressão:
Gg = 25p/Tl 4 .
Este tipo de atenuação é muito menos pronunciado no infravermelho do que no óptico.
Uma atmosfera livre de nuvens e neblina contém partículas de impurezas - vapor d'água e poeira, nas quais também se espalham ondas ópticas e infravermelhas. Para caracterizar o padrão espacial de espalhamento da luz por cada partícula, utiliza-se o conceito de indicatriz de espalhamento (função angular de espalhamento), que é definida como a razão entre a potência espalhada pela partícula em uma determinada direção e o fluxo de energia espalhado em todas as direções. direções (um conceito semelhante ao padrão de radiação de uma antena). Os indicadores de dispersão são determinados por cálculo para partículas esféricas de diferentes raios a, tendo diferentes índices de refração n. Partículas pequenas com a/l<<1 и n 1 имеют индикатрису, описываемую законом синуса с максимумами
в направлении прямого и обратного движения волны. При n
→ ∞ малые частицы рассеивают назад больше энергии, чем вперед. По
мере роста а/l индикатриса
рассеяния прозрачных частиц становится все более вытянутой вперед (эффект Ми).
O tamanho das partículas de poeira e vapor é muitas vezes maior que o comprimento de onda, e o número de partículas não permanece constante, o que dificulta o cálculo do coeficiente de atenuação. Portanto, é preferível usar dados experimentais para determinar a atenuação devido ao espalhamento por essas partículas. Descobriu-se empiricamente que o coeficiente de atenuação é proporcional a l -1,75. As perdas desse tipo são maiores nas cidades; elas são menores em ondas infravermelhas do que em comprimentos de onda ópticos.
A absorção seletiva é especialmente característica da faixa IR. Na fig. 5.11 mostra a distribuição de energia no espectro solar, medida perto da Terra para a faixa de comprimento de onda de 0,3-2,2 µm. Se não houvesse absorção seletiva, a curva teria um curso suave, indicado por uma linha pontilhada. Na parte visível do espectro em comprimentos de onda de 0,4-0,75 µm, a absorção é insignificante; em um comprimento de onda de 0,76 µm, a absorção é observada no oxigênio. Áreas de forte absorção são encontradas perto de ondas de comprimento 0,94; 1.10; 1,38 e 1,87 µm. Essa absorção se deve à presença de vapor d’água na atmosfera, sendo que a transparência da atmosfera aos raios infravermelhos é altamente dependente da umidade da atmosfera.
Arroz. 5.12. Espectro de emissão de um céu claro
O efeito absorvente é exercido pelo dióxido de carbono (nas ondas 2,7; 4, 3 e 12-20 μm) e ozônio (nas ondas 4,7 e 9,6 μm), mas o vapor d'água tem o principal efeito absorvedor, pois seu conteúdo é muito superior ao de dióxido de carbono, gás e ozônio.
As medições mostraram que a atmosfera tem transparência relativamente boa para os raios infravermelhos nos seguintes comprimentos de onda: 0,95-1,05; 1,2-1,3; 1,5-1,8; 2, 1-2, 4; 3,3-4,0; 8,0-12,0 µm. Dentro desses limites, a absorção pode ser negligenciada, enquanto em comprimentos de onda intermediários e maiores que 13,0 μm, ocorre absorção quase completa.
Perdas de calor e dispersão ocorrem em gotículas de neblina, como é o caso na faixa de ondas de rádio milimétricas e centimétricas. Quanto maior o tamanho da gota, maior a perda.
Refração de ondas ópticas e infravermelhas na atmosfera.É feita uma distinção entre refração astronômica - a refração dos raios provenientes de um corpo celeste ou outra fonte localizada a baixa altitude para o observador, e a refração terrestre - a refração dos raios provenientes de objetos terrestres.
As ondas ópticas e infravermelhas refratam menos que as ondas de rádio. O índice de refração da troposfera para infravermelho e ondas ópticas é escrito da seguinte forma (ver 3.1):
onde é a pressão parcial do ar seco (Pa).
No caso da refração astronômica, quando o feixe atravessa toda a espessura da atmosfera, cujo índice de refração aumenta à medida que se aproxima da superfície terrestre, a trajetória da onda é sempre convexa em direção ao zênite (refração positiva). Como no caso das ondas de rádio, o fenômeno da refração leva a um erro na determinação do ângulo de elevação.
A refração da Terra pode ser positiva ou negativa. Sob condições de refração normal, o alcance da linha de visada nos alcances óptico e infravermelho é um pouco menor do que no alcance do rádio. A fórmula (3.5) assume a seguinte forma:
O raio de curvatura da trajetória de uma onda óptica é de aproximadamente 50.000 km. Nas faixas óptica e IR, o fenômeno da superfração é observado com menos frequência do que na faixa de rádio. O fenômeno de uma miragem está associado à superrefração.
Propagação de radiação de geradores quânticos ópticos na atmosfera. Coerência, alto grau de monocromaticidade, alta diretividade e poder de radiação de geradores ópticos quânticos (OQGs) causam as características correspondentes da propagação dessas radiações na atmosfera. A largura espectral de muitos lasers é menor que a largura das linhas de absorção seletiva dos gases atmosféricos. Portanto, para quantificar a absorção da radiação laser, é necessário ter dados de absorção seletiva para frequências fixas. A obtenção desses dados é dificultada pela resolução limitada do equipamento de medição. A medição da absorção seletiva na faixa l = 0,69334 0,6694 μm, que inclui a radiação do laser de rubi, mostrou que quando o comprimento de onda muda menos que 10 -4 μm, a absorção muda de 0 a 80%.
Foi estabelecido que durante a propagação de feixes espacialmente limitados na atmosfera, o espalhamento por partículas altera a distribuição de energia sobre a seção transversal do feixe de radiação. Essa distribuição depende da espessura óptica da camada, da geometria do feixe e das propriedades do meio.
Inomogeneidades turbulentas da troposfera causam uma séria deterioração nas condições de operação dos enlaces de rádio infravermelho. Sua influência é especialmente significativa na propagação da radiação coerente. Turbulências na troposfera perturbam a estabilidade da frente de fase do feixe coerente, o que leva à sua expansão e deflexão e causa flutuações de amplitude.
As flutuações da amplitude do sinal obedecem à lei de distribuição logarítmica normal. As flutuações dos ângulos de chegada do feixe de radiação são caracterizadas por uma lei normal.
Foram obtidos alguns dados que permitem julgar a possível expansão dos feixes de radiação laser. Durante as medições em distâncias de 15 e 145 km, foi observado um aumento na divergência do feixe de 8" e 13", respectivamente.
Como resultado, não é possível criar padrões de radiação de antenas IR com largura inferior a um segundo de arco.
Interferência nos comprimentos de onda ópticos e infravermelhos. Uma fonte de radiação que não seja um alvo deve ser considerada como radiação de fundo que interfere na operação do sistema óptico ou infravermelho. A radiação de fundo se manifesta como ruído prejudicial, que deve ser tratado. Uma visão qualitativa das características espectrais da radiação de céu claro durante o dia 1 e à noite 2 é mostrada na Fig. 5.12.
O brilho do céu depende da pressão atmosférica e do ângulo zenital, aumentando em direção ao horizonte. As nuvens criam irregularidades na radiação do céu tanto durante o dia quanto à noite, especialmente em comprimentos de onda menores que 3 µm. A interferência mais séria é criada pelas bordas brilhantes das nuvens, que são chamarizes na faixa de infravermelho.
A Terra cria um fundo maior na região IV do espectro do que um céu claro e sem nuvens, refletindo a radiação de ondas curtas que é combinada com sua própria radiação térmica em comprimentos de onda mais longos. O fundo criado pela Terra complica a detecção de alvos terrestres.
5.7. segurança eletromagnética
Consideremos uma questão importante que, embora não esteja diretamente relacionada à propagação das ondas de rádio, adquiriu um significado especial em nossos dias. O fato é que o desenvolvimento tecnológico da sociedade é acompanhado por um aumento contínuo da intensidade dos campos eletromagnéticos de origem artificial, que cercam uma pessoa no trabalho e em casa. Como resultado, torna-se relevante proteger a saúde humana dos efeitos nocivos de campos poderosos que afetam o corpo a longo prazo.
O problema aqui mencionado pertence à competência da biologia da radiação, que, entre outras coisas, está envolvida em um estudo abrangente da influência de um campo eletromagnético em um ser vivo. Foi estabelecido que as mais perigosas para os humanos são as radiações ionizantes, cuja energia quântica é suficiente para separar os elétrons de um átomo. Tais propriedades são possuídas pela radiação ultravioleta e todas as outras radiações de comprimento de onda mais curto, por exemplo, ondas eletromagnéticas na faixa de raios-X.
O efeito biológico da radiação ionizante absorvida é expresso em unidades especiais - grays (Gy). Um gray corresponde a uma absorção de energia de 1 J por 1 kg de massa.
O meio mais importante de proteger uma pessoa é limitar a dose de radiação absorvida. De acordo com as normas adotadas nos EUA, para pessoas expostas à radiação no trabalho, a dose anual máxima permitida é de 50 mGy. A dose individual para o restante da população não deve ultrapassar 50 mGy por 30 anos sem levar em conta a radiação natural de fundo.
Nas radiofrequências, a energia dos quanta (fótons) é insuficiente para a ionização dos átomos da matéria. O campo eletromagnético incidente coloca os átomos ou moléculas em um estado excitado. Em seguida, os átomos ou moléculas voltam ao seu estado original, emitindo novos quanta de mesma frequência. Por fim, toda a energia das ondas de rádio absorvida pelo corpo se transforma em calor. Isso é freqüentemente usado na medicina para aquecer os órgãos internos. No entanto, a exposição prolongada de uma pessoa a campos de microondas com uma densidade de fluxo de energia de vários mW / leva a fenômenos dolorosos, principalmente à turvação da lente do olho. A possibilidade de alterações genéticas no corpo não é excluída. Portanto, ao operar o equipamento relevante, devem ser rigorosamente observados os padrões cientificamente fundamentados para a exposição do pessoal à radiofrequência.
5.8. Questões para auto-exame
1. Indique as principais características da propagação das ondas superlongas e longas.
2. Quais são as vantagens e desvantagens da comunicação por rádio no VLF e LW?
3. Quais são as características de um guia de ondas esférico da Terra-ionosfera?
4. Indique as principais características da propagação das ondas médias.
5. Como mudam as condições de propagação de SW durante o dia?
6. Qual é a natureza do desvanecimento do sinal no CB?
7. Como é determinada a intensidade do campo elétrico na faixa SW?
8. Indique as principais características da propagação das ondas curtas.
9. Com base em que condição é escolhida a frequência máxima utilizável?
10. Quais fatores determinam a menor frequência utilizável?
11. O que é uma zona de silêncio?
12. Quais são as causas do desvanecimento de HF?
13. Que fenômeno é chamado de efeito Kabanov?
14. Em que regiões do mundo a comunicação HF é difícil?
15. A que horas do dia é possível operar em frequências mais altas dentro da faixa de ondas curtas?
16. Indique as principais características da propagação das ondas ultracurtas no espaço superficial.
17. Indique as características da propagação VHF dentro da linha de visada.
18. Como as reflexões de terrenos irregulares afetam a propagação de VHF?
19. Especificar as características da distribuição do VHF em terrenos acidentados e nas cidades.
20. O que é o fenômeno chamado reforço por um obstáculo?
21. Indique as características da distribuição de VHF dentro de uma grande cidade.
22. Indique as características da propagação do VHF em longas distâncias em condições de superrefração.
23. Explique o processo de espalhamento de VHF nas heterogeneidades da troposfera.
24. O que causa o espalhamento e a reflexão das ondas métricas na ionosfera?
25. Quais técnicas de recepção são usadas para lidar com o desvanecimento de VHF?
26. Indique as principais características da propagação do VHF no espaço sideral.
27. Dê as principais características do meio interplanetário.
28. Explicar as características das ligações de rádio VHF Terra-espaço: perdas de energia; rotação do plano de polarização; desbotando.
29. Especifique as principais características da propagação de ondas nas faixas óptica e IR.
30. Quais são as razões para a atenuação das ondas ópticas e infravermelhas na atmosfera?
31. Quais são as características de refração das ondas ópticas e infravermelhas?
32. Qual é a influência da atmosfera na propagação da radiação dos geradores quânticos ópticos?
33. Qual é a fonte de interferência nas faixas de ondas ópticas e infravermelhas?
34. Qual é o problema da segurança eletromagnética?
LITERATURA
1. Yamanov D.N. Fundamentos de eletrodinâmica e propagação de ondas de rádio. Parte 1. Fundamentos da eletrodinâmica: Textos de aula. - M: MSTU GA, 2002. - 80 p.
2. Yamanov D.N. Fundamentos de eletrodinâmica e propagação de ondas de rádio. Parte 2. Fundamentos da eletrodinâmica. Textos de palestras - M: MSTU GA, 2005. - 100 p.
3. Baskakov S.I. Eletrodinâmica e propagação de ondas de rádio: Proc. subsídio para universidades. - M: Superior. escola, 1992. - 416 p.
4. Nikolsky V.V., Nikolskaya T.N. Eletrodinâmica e propagação de ondas de rádio: Proc. subsídio para universidades. - M: Nauka., 1989. - 544 p.
5. Markov G.T., Petrov B.M., Grudinskaya G.P. Eletrodinâmica e propagação de ondas de rádio: Proc. subsídio para universidades. - M: Sov. rádio, 1979. - 376 p.
6. Grudinskaya G.P. Propagação de ondas de rádio: Proc. subsídio para universidades. - M: Superior. escola, 1975. - 280 p.
7. Manual de fundamentos teóricos da rádio eletrônica: Volume 1./Ed. B.H. Krivitsky, V.N. Doolin. - M: 1977. - 504 p.
INTRODUÇÃO ……………………………………………………………………….. 3
1. PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE RÁDIO NO ESPAÇO LIVRE …4
1.1. A fórmula para uma transmissão ideal …………………………………………. 7
1.2. Uma região do espaço essencial para a propagação de ondas de rádio. Método de zona de Fresnel ……………………………………………………………. .dez
1.3. Questões para auto-exame ……………………………………………….... 12
2. INFLUÊNCIA DA SUPERFÍCIE TERRESTRE NA PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE RÁDIO ………………………………………………………………………..13
2.1. Absorção de ondas de rádio por vários tipos de superfície terrestre ……….13
2.2. Reflexão de ondas de rádio planas na superfície lisa do ar do limite da Terra ………………………………………………………….17
2.3. Reflexão de ondas de rádio de uma superfície áspera …………………….19
2.4. Classificação de casos de propagação de ondas de rádio terrestres ……………22
2.5. O campo do emissor levantado acima da superfície plana da Terra…………22
2.6. O campo de um emissor localizado perto de uma terra plana
superfícies ………………………………………………………………..25
2.7. Difração de ondas de rádio em torno de uma superfície esférica da Terra ……….. 28
2.8 Questões para auto-exame …………………………………………………… 29
3. TROPOSFERA E SEU IMPACTO NA PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE RÁDIO..30
3.1. Composição e estrutura da troposfera …………………………………………….. 30
3.2. Constante dielétrica e expoente
refração da troposfera …………………………………………………... 31
3.3. Refração de ondas de rádio na troposfera ……………………………………….. 33
3.4. Absorção de ondas de rádio na troposfera ……………………………………... 37
3.5. Perguntas para o auto-exame ………………………………………………… 39
4. IONOSFERA E SEU EFEITO NA PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE RÁDIO …39
4.1. Ionização e recombinação de gás na ionosfera …………………………….. 39
4.2. Estrutura da ionosfera ………………………………………………………….. 41
4.3. Constante dielétrica e condutividade de ionizado
gás (plasma)…………………………………………………………………….. 44
4.4. Velocidade de propagação de ondas de rádio em gás ionizado (plasma) ...46
4.5. Absorção de ondas de rádio em um gás ionizado …………………………...47
4.6. Refração e reflexão de ondas de rádio na ionosfera ………………………. 49
4.7. O efeito de um campo magnético constante em
parâmetros de gás ionizado……………………………………………… 50
4.8 Questões para auto-exame ………………………………………………… 52
5. PECULIARIDADES DA PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE RÁDIO EM DIFERENTES FAIXAS …………………………………………………………………….. 53
5.1. Peculiaridades da propagação de ondas superlongas e longas …………. 53
5.2. Características de propagação de ondas médias …………………………….. 57
5.3. Características da propagação de ondas curtas.……………………………58
5.4. Características da propagação de ondas ultracurtas no espaço da superfície …………………………………………………………………… 62
5.5. Características da propagação de ondas ultracurtas no espaço sideral …………………………………………………………………… 71
5.6. Características da propagação de ondas ópticas e infravermelhas ……………………………………………………………………... 77
5.7. Segurança eletromagnética …………………………………………... 83
5.8. Questões para auto-exame ………………………………………………... 84
LITERATURA ……………………………………………………………………… 86
As ondas de rádio e sua distribuição são um mistério inegável para iniciantes no ar. Aqui você pode se familiarizar com os fundamentos da teoria da propagação das ondas de rádio. Este artigo destina-se a apresentar os fãs iniciantes do ar, bem como para aqueles que têm alguma ideia sobre o assunto.
A introdução mais importante, que muitas vezes é esquecida de ser dita antes de introduzir a teoria da propagação das ondas de rádio, é que as ondas de rádio se propagam ao redor do nosso planeta devido à reflexão da ionosfera e um feixe de luz é refletido da Terra como espelhos translúcidos.
Peculiaridades da propagação de ondas médias e modulação cruzada
Ondas médias incluem ondas de rádio com um comprimento de 1000 a 100 m (frequência 0,3 - 3,0 MHz). Ondas médias são usadas principalmente para transmissão. E são também o berço da pirataria de rádio doméstica. Eles podem se espalhar de maneira terrestre e ionosférica. Ondas médias experimentam absorção significativa na superfície semicondutora da Terra, o alcance da propagação da onda terrestre 1, (ver Fig. 1), é limitado a uma distância de 500-700 km. Em longas distâncias, as ondas de rádio 2 e 3 são propagadas por uma onda ionosférica (espacial).
À noite, as ondas médias se propagam por reflexão da camada E da ionosfera (ver Fig. 2), cuja densidade de elétrons é suficiente para isso. Durante o dia, no caminho da propagação das ondas, está localizada a camada D, que absorve ondas médias com extrema força. Portanto, nas potências ordinárias do transmissor, a intensidade do campo elétrico é insuficiente para a recepção e, durante o dia, a propagação das ondas médias ocorre praticamente apenas pela onda terrestre em distâncias relativamente curtas, da ordem de 1000 km. Na faixa de onda média, as ondas mais longas experimentam menos absorção e a força do campo elétrico da onda celeste é maior em comprimentos de onda mais longos. A absorção aumenta nos meses de verão e diminui no inverno. Os distúrbios ionosféricos não afetam a propagação das ondas médias, pois a camada E é pouco perturbada durante as tempestades ionosféricas-magnéticas.
À noite, ver fig. 1, a alguma distância do transmissor (ponto B), é possível a chegada simultânea de ondas espaciais 3 e de superfície 1, e o comprimento do caminho da onda espacial varia com a mudança na densidade de elétrons da ionosfera. Uma mudança na diferença de fase dessas ondas leva a flutuações na intensidade do campo elétrico, chamadas de desvanecimento de campo próximo.
A uma distância considerável do transmissor (ponto C), as ondas 2 e 3 podem chegar por uma ou duas reflexões da ionosfera. Uma mudança na diferença de fase dessas duas ondas também resulta em uma flutuação na força do campo elétrico, chamada de desvanecimento de campo distante.
Para combater o desbotamento na extremidade transmissora da linha de comunicação, são utilizadas antenas, nas quais o máximo do padrão de radiação é “pressionado” na superfície da Terra, incluindo a antena V invertida mais simples, que é frequentemente usada por rádios amadores. Com esse padrão de radiação, a zona de quase desvanecimento se afasta do transmissor e, a grandes distâncias, o campo da onda que chega por meio de duas reflexões é enfraquecido.
Infelizmente, nem todas as emissoras iniciantes que operam na faixa de frequência de 1600-3000 kHz sabem que um sinal fraco de um transmissor de baixa potência está sujeito à distorção ionosférica. O sinal de transmissores de rádio mais potentes é menos suscetível à distorção ionosférica. Devido à ionização não linear da ionosfera, um sinal fraco é modulado pela tensão de modulação dos sinais de estações poderosas. Este fenômeno é chamado de modulação cruzada. A profundidade do coeficiente de modulação atinge 5-8%. Do lado da recepção, dá-se a impressão de um transmissor mal executado, com todos os tipos de zumbidos e chiados, isso é especialmente perceptível no modo de modulação AM.
Devido à modulação cruzada, o ruído intenso do raio geralmente penetra no receptor, que não pode ser filtrado - a descarga do raio modula o sinal recebido. É por esse motivo que as emissoras começaram a usar transmissores de banda lateral única para comunicações de rádio bidirecionais e começaram a operar com mais frequência em frequências mais altas. Os transmissores de rádio estrangeiros das estações CB os amplificam e comprimem os sinais de modulação e, para operação sem distorção no ar, usam frequências inversas.
Os fenômenos de demodulação e modulação cruzada na ionosfera são observados apenas na faixa de ondas médias (MW). Na faixa de ondas curtas (SW), a velocidade de um elétron sob a ação de um campo elétrico é desprezível em comparação com sua velocidade térmica, e a presença de um campo não altera o número de colisões de um elétron com partículas pesadas.
As mais favoráveis, na faixa de frequência de 1500 a 3000 kHz para comunicações de longa distância, são as noites de inverno e os períodos de atividade solar mínima. Conexões de longa distância extra, acima de 10.000 km, geralmente são possíveis ao pôr do sol e ao nascer do sol. Durante o dia, a comunicação é possível a uma distância de até 300 km. As emissoras de rádio FM gratuitas só podem invejar essas grandes rotas de rádio.
No verão, esta faixa é frequentemente interferida por interferência de descargas estáticas na atmosfera.
Características da propagação de ondas curtas e suas características
Ondas curtas incluem ondas de rádio com comprimento de 100 a 10 m (frequência 3-30 MHz). A vantagem da operação de comprimento de onda curto em relação à operação de comprimento de onda mais longo é que as antenas direcionais podem ser facilmente criadas nesta faixa. As ondas curtas podem se propagar como terrestres, na parte de baixa frequência do intervalo e como ionosféricas.
Com o aumento da frequência, a absorção de ondas na superfície semicondutora da Terra aumenta muito. Portanto, em potências de transmissor comuns, as ondas terrestres de ondas curtas se propagam por distâncias que não excedem várias dezenas de quilômetros. Na superfície do mar, essa distância aumenta significativamente.
Ondas curtas podem ser propagadas por uma onda ionosférica por muitos milhares de quilômetros, e isso não requer transmissores de alta potência. Portanto, atualmente, as ondas curtas são usadas principalmente para comunicação e transmissão em longas distâncias.
Ondas curtas se propagam por longas distâncias pela reflexão da ionosfera e da superfície da Terra. Este método de propagação é chamado de salto, veja a fig. 2 e é caracterizado pela distância do salto, número de saltos, ângulos de saída e chegada, frequência máxima utilizável (MUF) e frequência mínima utilizável (LFF).
Se a ionosfera é uniforme na direção horizontal, então a trajetória da onda também é simétrica. Normalmente, a radiação ocorre em uma certa faixa de ângulos, pois a largura do padrão de radiação das antenas de ondas curtas no plano vertical é de 10 a 15 °. A distância de salto mínima para a qual a condição de reflexão é satisfeita é chamada de distância da zona de silêncio (ZM). Para refletir a onda, é necessário que a frequência de operação não seja superior ao valor da frequência máxima utilizável (MUF), que é o limite superior da faixa de operação para uma determinada distância. Onda 4.
A utilização de antenas de radiação antiaérea, como um dos métodos de redução da zona de silêncio, é limitada pelo conceito de frequência máxima aplicável (MUF), tendo em conta a sua redução em 15-20% da MUF. As antenas de radiação antiaérea são usadas para transmissão na zona próxima pelo método de reflexão de salto único da ionosfera.
A segunda condição limita a faixa operacional abaixo: quanto menor a frequência operacional (dentro da faixa de ondas curtas), mais forte é a absorção da onda na ionosfera. A menor frequência aplicável (LFC) é determinada a partir da condição de que, em uma potência de transmissor de 1 kW, a força do campo elétrico do sinal deve exceder o nível de ruído e, portanto, a absorção do sinal nas camadas ionosféricas não deve ser mais do que permitida . A densidade eletrônica da ionosfera varia durante o dia, durante o ano e durante o período de atividade solar. Isso significa que os limites da faixa operacional também mudam, o que leva à necessidade de alterar o comprimento de onda operacional durante o dia.
Faixa de frequência 1,5-3 MHz,é noturno. É claro que para uma sessão de rádio bem-sucedida é necessário escolher sempre a frequência (comprimento de onda) certa, além disso, isso complica o design da estação, mas para um verdadeiro conhecedor de comunicações de longa distância, isso não é uma dificuldade , faz parte de um hobby. Vamos avaliar a faixa de HF por seções.
Faixa de frequência 5-8 MHz, em muitos aspectos semelhante à banda de 3 MHz, e ao contrário dela, aqui durante o dia você pode se comunicar até 2.000 km, a zona de silêncio (ZM) está ausente e tem várias dezenas de quilômetros. À noite, a comunicação é possível a qualquer distância, exceto ZM, que aumenta para várias centenas de quilômetros. Durante as horas de mudança da hora do dia (pôr do sol/nascer do sol), o mais conveniente para comunicações de longa distância. O ruído atmosférico é menos pronunciado do que na faixa de 1,5-3 MHz.
Na faixa de frequência 10-15 MHz durante os períodos de atividade solar, as comunicações são possíveis durante o dia com quase qualquer ponto do globo. No verão, a duração das comunicações de rádio nesta faixa de frequência é 24 horas por dia, com exceção de alguns dias. A zona de silêncio à noite tem distâncias de 1500-2000 km e, portanto, apenas comunicações de longa distância são possíveis. Durante o dia, eles diminuem para 400-1000 km.
Faixa de frequência 27-30 MHz Adequado para comunicação apenas durante o dia. Esta é a faixa mais caprichosa. Geralmente abre por várias horas, dias ou semanas, especialmente quando as estações mudam, ou seja. outono e primavera. A zona de silêncio (ZM) atinge 2000-2500 km. Este fenômeno pertence ao tópico do MUF, aqui o ângulo da onda refletida deve ser pequeno em relação à ionosfera, caso contrário, há uma grande atenuação na ionosfera, ou uma simples fuga para o espaço. Pequenos ângulos de radiação correspondem a grandes saltos e correspondentemente grandes zonas de silêncio. Durante os períodos de máxima atividade solar, a comunicação também é possível à noite.
Além dos modelos acima, são possíveis casos de propagação anômala de ondas de rádio. A propagação anômala pode ocorrer quando uma camada esporádica aparece no caminho de uma onda, a partir da qual ondas mais curtas, com comprimentos de onda de até um metro, podem ser refletidas. Esse fenômeno pode ser observado na prática passando estações distantes de TV e estações de rádio FM. O MUF do sinal de rádio durante essas horas atinge 60-100 MHz durante os anos de atividade solar.
Na banda VHF FM, Exceto em casos raros de propagação anômala de ondas de rádio, a propagação é estritamente devida à chamada "linha de visão". A propagação das ondas de rádio dentro da linha de visão fala por si e se deve à altura das antenas transmissoras e receptoras. É claro que nas condições de desenvolvimento urbano é impossível falar de qualquer visual e linha de visão, mas as ondas de rádio passam pelo desenvolvimento urbano com alguma atenuação. Quanto maior a frequência, maior a atenuação em áreas urbanas. A faixa de frequência de 88-108 MHz também está sujeita a alguma atenuação em condições urbanas.
Fading de sinais de rádio HF
A recepção de ondas curtas de rádio é sempre acompanhada por uma medição do nível do sinal recebido, e essa mudança é aleatória e temporária. Esse fenômeno é chamado de desbotamento (fading) do sinal de rádio. No ar, observa-se um desvanecimento rápido e lento do sinal. A profundidade de desvanecimento pode atingir várias dezenas de decibéis.
A principal causa do desvanecimento rápido do sinal é a propagação multipercurso das ondas de rádio. Neste caso, a causa do desvanecimento é a chegada ao ponto de recepção de dois feixes que se propagam por uma e duas reflexões da ionosfera, onda 1 e onda 3, ver Fig. 2.
Como os raios percorrem caminhos diferentes em distância, suas fases de chegada não são as mesmas. Mudanças na densidade eletrônica, ocorrendo continuamente na ionosfera, levam a uma mudança no comprimento do caminho de cada um dos raios e, conseqüentemente, a uma mudança na diferença de fase entre os raios. Para mudar a fase de uma onda em 180°, basta que o comprimento do caminho mude apenas ½. Deve-se lembrar que quando os raios de um sinal chegam ao ponto de recepção com a mesma intensidade e com uma diferença de fase de 180 °, eles são completamente subtraídos de acordo com a lei vetorial, e a intensidade do sinal recebido neste caso pode ser igual a zero. Essas pequenas mudanças no comprimento do caminho podem ocorrer continuamente, portanto, as flutuações na intensidade do campo elétrico na faixa de ondas curtas são frequentes e profundas. O intervalo de sua observação em 3-7 minutos pode ser em baixas frequências da banda HF e até 0,5 segundos em frequências próximas a 30 MHz.
Além disso, o desvanecimento do sinal é causado pela dispersão das ondas de rádio nas não homogeneidades da ionosfera e pela interferência das ondas espalhadas.
Além do desvanecimento por interferência, em comprimentos de onda curtos, ocorre o desvanecimento por polarização. A causa do desvanecimento da polarização é a rotação do plano de polarização da onda em relação à antena recebida. Isso ocorre quando a onda se propaga na direção das linhas do campo magnético da Terra e com uma mudança na densidade de elétrons da ionosfera. Se as antenas transmissoras e receptoras forem vibradores horizontais, então a onda polarizada horizontalmente irradiada, após passar pela ionosfera, sofrerá uma rotação do plano de polarização. Isso leva a flutuações. d.s., induzido na antena, que possui atenuação adicional de até 10 dB.
Na prática, todas essas causas de desvanecimento de sinal agem, via de regra, de maneira complexa e obedecem à lei de distribuição de Rayleigh descrita.
Além do desvanecimento rápido, observa-se o desvanecimento lento, que é observado com um período de 40 a 60 minutos na parte de baixa frequência da banda de HF. A razão para esses desbotamentos é uma mudança na absorção das ondas de rádio na ionosfera. A distribuição da amplitude do envelope do sinal durante o desvanecimento lento obedece a uma lei normalmente logarítmica com uma diminuição do sinal para 8-12 dB.
Para combater o desvanecimento, em ondas curtas, é utilizado o método da diversidade de antenas. O fato é que o aumento e a diminuição da força do campo elétrico não ocorrem simultaneamente, mesmo em uma área relativamente pequena da superfície terrestre. Na prática da comunicação por ondas curtas, geralmente são utilizadas duas antenas, espaçadas por vários comprimentos de onda, e os sinais são adicionados após a detecção. É eficaz separar as antenas por polarização, ou seja, recepção simultânea em antenas verticais e horizontais com subseqüente adição de sinais após a detecção.
Gostaria de observar que essas medidas de controle são eficazes apenas para eliminar o desvanecimento rápido, as mudanças lentas de sinal não são eliminadas, pois isso se deve a uma mudança na absorção das ondas de rádio na ionosfera.
Na prática do rádio amador, o método da diversidade de antenas é usado muito raramente, devido ao alto custo construtivo e à falta de necessidade de receber informações suficientemente confiáveis. Isso se deve ao fato de que os amadores costumam usar antenas ressonantes e de banda, cujo número em sua casa é de cerca de 2 a 3 peças. O uso da recepção de diversidade requer um aumento no número de antenas pelo menos duas vezes.
Outra coisa é quando um amador mora em uma área rural, embora tenha espaço suficiente para acomodar uma estrutura antifading, ele pode simplesmente usar dois vibradores de banda larga para isso, cobrindo todas ou quase todas as faixas necessárias. Um vibrador deve ser vertical, o outro horizontal. Não é necessário ter vários mastros para isso. Basta colocá-los no mesmo mastro para que fiquem orientados um em relação ao outro em um ângulo de 90 °. As duas antenas, neste caso, se assemelharão à conhecida antena "V-invertido".
Cálculo do raio de cobertura de um sinal de rádio nas bandas VHF/FM
As frequências da faixa do medidor são distribuídas dentro da linha de visão. O alcance da propagação das ondas de rádio dentro da linha de visão, sem levar em conta a potência de radiação do transmissor e outros fenômenos naturais que reduzem a eficiência da comunicação, é assim:
r = 3,57 (√h1 + √h2), km,
Calcular os raios da linha de visada ao instalar uma antena receptora em alturas diferentes, onde h1 é um parâmetro, h2 = 1,5 m. Resumimos na Tabela 1.
tabela 1
| h1 (m) | 10 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 50 | 60 |
| r (km) | 15,6 | 20,3 | 22.2 | 24 | 25.5 | 27,0 | 29,6 | 32 |
Esta fórmula não leva em conta a atenuação do sinal e a potência do transmissor, fala apenas da possibilidade de linha de visada, levando em conta uma terra perfeitamente redonda.
Vamos fazer um cálculo o nível necessário do sinal de rádio junto com a recepção para um comprimento de onda de 3 m.
Como nas rotas entre a estação transmissora e o objeto em movimento sempre ocorrem fenômenos como reflexões, espalhamento, absorção de sinais de rádio por vários objetos etc., correções devem ser feitas no nível de atenuação do sinal, proposto por um japonês cientista Okumura. O desvio padrão para esta faixa com prédios urbanos será de 3 dB, e com uma probabilidade de comunicação de 99%, introduzimos um fator de 2, que será uma correção total P no nível do sinal de rádio em
P = 3 × 2 = 6 dB.
A sensibilidade dos receptores é determinada pela proporção do sinal útil sobre o ruído de 12 dB, ou seja, 4 vezes. Essa proporção é inaceitável para transmissão de alta qualidade; portanto, introduziremos uma correção adicional de outros 12 a 20 dB e levaremos 14 dB.
No total, a correção total no nível do sinal recebido, levando em consideração sua atenuação ao longo do caminho e as especificidades do aparelho receptor, será: 6 + 16 20dB (10 vezes). Então, com uma sensibilidade do receptor de 1,5 μV. no local de recepção, um campo com uma força de 15 µV/m.
Calcular usando a fórmula de Vvedensky faixa em uma determinada intensidade de campo de 15 μV / m, levando em consideração a potência do transmissor, a sensibilidade do receptor e as áreas urbanas:
onde r é km; P - kW; G - dB (=1); h - m; λ - m; E - mV.
Este cálculo não leva em consideração o ganho da antena receptora, bem como a atenuação no alimentador e o filtro passa-banda.
Responda: Com uma potência de 10 W, altura de radiação h1 = 27 metros e h2 = 1,5 m, a recepção de rádio realmente de alta qualidade com um raio em áreas urbanas será de 2,5 a 2,6 km. Se levarmos em consideração que a recepção de sinais de rádio do seu transmissor de rádio será realizada nos andares médio e alto de edifícios residenciais, esse alcance aumentará cerca de 2 a 3 vezes. Se você receber sinais de rádio em uma antena remota, o alcance será calculado em dezenas de quilômetros.
73! UA9LBG & Radio-Vector-Tyumen
