Oddajnik seva, preden pride do sprejemnika, pojdite skozi pot, ki je lahko težavna. Radijski valovi lahko dosežejo sprejemno točko s širjenjem po premočrtnih tirnicah, upogibanjem okoli konveksne površine Zemlje, odbijanjem od ionosfere itd. Načini Razširjanje radijskih valov v bistvu odvisna od valovne dolžine l , od osvetlitve zemeljske atmosfere s Soncem in od številnih drugih dejavnikov (glej spodaj).
ravni valovi. V homogenih medijih se radijski valovi širijo premočrtno s konstantno hitrostjo, kot svetlobni žarki (radijski žarki). Takšna Razširjanje radijskih valov imenovano brezplačno. Pogoji Razširjanje radijskih valov v vesolju, med radijsko komunikacijo med zemeljsko postajo in vesoljskim objektom, med dvema vesoljskima objektoma, med radioastronomskimi opazovanji, med radijsko komunikacijo med zemeljsko postajo in letalom ali med letali, so skoraj prosti.
Valovanje, ki ga oddaja antena, je mogoče obravnavati kot ravninski val na velikih razdaljah od nje (glej sl. Oddajanje in sprejem radijskih valov
). Gostota pretoka elektromagnetne energije, sorazmerna s kvadratom poljske jakosti valov, se zmanjšuje z večanjem razdalje r od vira je obratno sorazmeren r 2, kar ima za posledico omejitev razdalje, na kateri je mogoče sprejeti signal oddajne postaje. Domet radijske postaje (v odsotnosti absorpcije) je enak: 
, kje
c - moč signala na vhodu sprejemnika, R w - moč hrupa, G1, G2 so smerni koeficienti oddajne in sprejemne antene. Hitrost Razširjanje radijskih valov v prostem prostoru je enaka hitrosti svetlobe v vakuumu: z = 300 000 km/sek.
Ko se val širi v materialnem mediju (na primer v Zemljini atmosferi, v globini Zemlje, v morski vodi itd.), Se njegova fazna hitrost spremeni in energija se absorbira. To je posledica vzbujanja nihanj elektronov in ionov v atomih in molekulah medija pod vplivom električnega polja valov in njihovega ponovnega sevanja sekundarnih valov. Če je jakost valovnega polja majhna v primerjavi z jakostjo polja, ki deluje na elektron v atomu, potem se nihanje elektrona pod vplivom valovnega polja odvija po harmoničnem zakonu s frekvenco vhodnega vala . Zato elektroni oddajajo radijske valove iste frekvence, vendar z različnimi amplitudami in fazami. Fazni premik med primarnim in ponovno sevanim valovanjem povzroči spremembo fazne hitrosti. Izgube energije med interakcijo valovanja z atomi so vzrok za absorpcijo radijskih valov. Absorpcijo in spremembo fazne hitrosti v mediju označujeta absorpcijski indeks c in lomni količnik n, ki pa sta odvisna od prepustnosti e in prevodnosti s medija ter od valovne dolžine l:
(1)
Absorpcijski koeficient b = 2pc/l, fazna hitrost u =c/n. V tem primeru r e ni določen le z značilnostmi oddajnika, sprejemnika in valovne dolžine, temveč tudi z lastnostmi medija (e, s). V kopenskih razmerah Razširjanje radijskih valov običajno drugačen od brezplačnega. Na Razširjanje radijskih valov površje Zemlje, zemeljsko ozračje, zgradba ionosfere itd. Vpliv nekaterih dejavnikov je odvisen od valovne dolžine.
Vpliv zemeljskega površja na širjenje radijskih valov odvisno od lokacije radijske poti glede na njegovo površino.
Razširjanje radijskih valov- prostorski proces, ki zajame veliko območje. Najpomembnejšo vlogo v tem procesu pa igra del prostora, ki ga omejuje površina, ki ima obliko vrtilnega elipsoida, v žariščih katere AMPAK in AT nahajata oddajnik in sprejemnik riž. eno ). Velika os elipsoida je skoraj enaka razdalji R med oddajnikom in sprejemnikom ter pomožno osjo ~. Manjši kot je l, ožji je elipsoid, v optičnem območju se degenerira v ravno črto (svetlobni žarek). Če višine Z1 in Z2, na kateri sta oddajna in sprejemna antena glede na zemeljsko površje, veliki v primerjavi z l, potem se elipsoid ne dotika zemeljske površine ( riž. eno , a). Površje Zemlje v tem primeru nima vpliva na Razširjanje radijskih valov(brezplačna distribucija). Pri spuščanju obeh ali ene od končnih točk radijske poti se bo elipsoid dotaknil zemeljske površine ( riž. eno , b) in polje odbitega vala leži na neposrednem valu, ki gre od oddajnika do sprejemnika. Če pri Z1>>l in Z2>> l, potem lahko to polje obravnavamo kot žarek, ki ga odbija zemeljska površina v skladu z zakoni geometrijske optike. Polje na sprejemni točki je določeno z interferenco direktnega in odbitega žarka. Interferenčni maksimumi in minimumi določajo petalno strukturo polja ( riž. 2 ). Pogoj Z1 in Z2>> l se praktično lahko izpolni samo za metrske in krajše valove, zato je za ultrakratke valove (VHF) značilna režnjasta struktura polja.
Ko se l poveča, se znatno območje razširi in prečka zemeljsko površino. V tem primeru ni več mogoče prikazati valovnega polja kot posledice interference direktnih in odbitih valov. Vpliv Zemlje na Razširjanje radijskih valov v tem primeru je posledica več dejavnikov: zemlja ima pomembno električno prevodnost, torej Razširjanje radijskih valov vzdolž zemeljske površine vodi do toplotnih izgub in oslabitve valovanja. Izgube energije v zemlji naraščajo z zmanjševanjem l.
Poleg oslabitve pride tudi do spremembe strukture valovnega polja. Če antena blizu zemeljske površine seva prečno linearno polariziran val (glej sl. Polarizacija valov ), v katerem električna poljska jakost E je pravokoten na zemeljsko površje, potem na velikih razdaljah od sevalnika val postane eliptično polariziran ( riž. 3 ). Vrednost horizontalne komponente E x je veliko manjši od navpičnice E z in pada z večanjem prevodnosti s zemeljske površine. Videz horizontalne komponente omogoča sprejem talnih valov na ti. zemeljske antene (2 vodnika, ki se nahajata na površini Zemlje ali na nizki nadmorski višini). Če antena oddaja vodoravno polariziran val ( E vzporedno z zemeljskim površjem), potem zemeljsko površje tem bolj oslabi polje, čim večji je s, in ustvari vertikalno komponento. Tudi na majhnih razdaljah od vodoravnega vira postane navpična komponenta polja večja od vodoravne. Pri širjenju vzdolž Zemlje se fazna hitrost talnih valov spreminja z razdaljo, vendar že na razdalji ~ nekaj l od sevalnika postane enaka hitrosti svetlobe, ne glede na električne lastnosti tal.
Zemljina izboklina je nekakšna »ovira« na poti radijskih valov, ki z difrakcijo obkrožijo Zemljo in prodrejo v »območje sence«. Ker se difrakcija valov opazno manifestira, ko so dimenzije ovire sorazmerne ali manjše od l, velikost izbokline Zemlje pa lahko označimo z višino sferičnega segmenta h (riž. štiri ), odrezan z ravnino, ki poteka skozi tetivo, ki povezuje točki lokacije sprejemnika in oddajnika (glej tabelo), potem je pogoj 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 (riž. 5 ).
višina krogličnega segmenta h za različne razdalje med oddajnikom in sprejemnikom
| Razdalja, 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 |
Zemeljsko površje je heterogeno, najpomembnejši vpliv na Razširjanje radijskih valov zagotoviti električne lastnosti odsekov poti, ki mejijo na oddajnik in sprejemnik. Če radijska pot prečka obalo, tj. prečka kopno in nato čez morje (s ® ¥), potem se pri prečkanju obale jakost polja močno spremeni ( riž. 6 ), tj. amplituda in smer širjenja valov (shore refrakcija). Vendar pa je obalna refrakcija lokalna motnja polja radijskih valov, ki se zmanjšuje z oddaljenostjo od obale.
Vpliva tudi topografija zemeljske površine Razširjanje radijskih valov Ta vpliv je odvisen od razmerja med višino površinskih neravnin h, vodoravna dolžina l, l in vpadni kot q valovanja na površino ( riž. 7 ). Če so izpolnjeni pogoji:
4p2 l 2 sin 2 q/l 2 £ 1; 2psin q<< 1, (2)
potem se nepravilnosti štejejo za majhne in nežne. V tem primeru imajo majhen učinek na Razširjanje radijskih valov Ko se q poveča, so lahko pogoji (2) kršeni. V tem primeru se energija valovanja razprši, poljska jakost v smeri odbitega žarka pa se zmanjša (pojavijo se difuzni odboji).
Visoki hribi, gore itd. Poleg tega močno "motijo" polje in tvorijo zasenčena območja. Difrakcija radijskih valov na gorskih verigah včasih vodi do ojačanja valovanja zaradi interference neposrednih in odbitih valov od zemeljske površine ( riž. osem ).
Širjenje radijskih valov v troposferi. Refrakcija radijskih valov. Prizemni radijski valovi se širijo vzdolž zemeljske površine v troposfera. Prevodnost troposfere s za frekvence, ki ustrezajo radijskim valovom (z izjemo milimetrskih valov), je praktično 0; prepustnost e in s tem lomni količnik n sta funkciji zračnega tlaka in temperature ter tlaka vodne pare. Na površju zemlje n» 1,0003. Spreminjanje e in n višina je odvisna od vremenskih razmer. Običajno e in n zmanjšuje, fazna hitrost u pa narašča z višino. To vodi do ukrivljenosti radijskih žarkov (lom radijskih valov, riž. 9 ). Če se val širi v troposferi pod kotom na obzorje, katerega sprednji del sovpada z ravno črto av (riž. 9 ), potem zaradi dejstva, da se v zgornjih plasteh troposfere valovanje širi z večjo hitrostjo kot v spodnjih, zgornji del valovne fronte prehiti spodnjega in valovna fronta se obrne (žarek je upognjen) . T. do. n z višino upada, potem se radijski žarki odklonijo proti Zemlji. Ta pojav, imenovan normalna troposferska refrakcija, prispeva k Razširjanje radijskih valov izven vidnega polja, tk. zaradi loma se lahko valovi upognejo okoli izbokline Zemlje. Vendar pa lahko v praksi ta učinek igra vlogo le pri VHF, saj pri daljših valovnih dolžinah prevladuje upogibanje zaradi uklona. Vremenske razmere lahko oslabijo ali povečajo refrakcijo v primerjavi z običajno.
Troposferski valovod. Pod določenimi pogoji (npr. ko se segret zrak premika s kopnega nad morsko gladino) temperatura zraka z višino ne pada, ampak narašča (temperaturne inverzije). V tem primeru lahko lom v troposferi postane tako močan, da bo val, ki se pojavi pod majhnim kotom glede na obzorje na določeni višini, spremenil smer v nasprotno in se vrnil na Zemljo. V prostoru, ki ga od spodaj omejuje Zemlja, od zgoraj pa nekakšna odbojna plast troposfere, se lahko valovanje širi na zelo velike razdalje (valovodno širjenje radijskih valov). Tako kot v kovini radijski valovod , se valovi lahko širijo v troposferskih valovodih, katerih dolžina je manjša od kritične (l cr » 0,085 d 3 / 2 , d- višina valovoda v m, l kr v cm). Debelina inverzijskih plasti v troposferi običajno ne presega ~ 50-100 m, torej se po valovodni poti lahko širijo le decimetrski, centimetrski in krajši valovi.
Fluktuacijsko sipanje e. Poleg pravilnega spreminjanja e z višino obstajajo v troposferi neenakomerne nehomogenosti (nihanja) e, ki so posledica naključnega gibanja zraka. Razpršijo radijske valove VHF. Tako je območje prostora, ki ga omejujejo diagrami usmerjenosti sprejemne in oddajne antene in vsebuje veliko število nehomogenosti e, razpršilni volumen. Razprševanje vodi do nihanj v amplitudi in fazi radijskega valovanja, pa tudi do širjenja VHF na razdaljah, ki znatno presegajo vidno polje ( riž. deset ). V tem primeru polje na sprejemnem mestu AT ki nastanejo kot posledica interference razpršenih valov. Zaradi interference velikega števila razpršenih valov prihaja do naključnih sprememb amplitude in faze signala. Vendar povprečna vrednost amplitude signala bistveno presega amplitudo, ki bi lahko bila posledica normalne troposferske refrakcije.
Absorpcija radijskih valov. Troposfera je prosojna za vse radijske valove do centimetra. Krajši valovi so opazno oslabljeni v kapljičnih formacijah (dež, toča, sneg, megla), v vodni pari in atmosferskih plinih. Oslabitev je posledica procesov absorpcije in sipanja. Vsaka kapljica vode ima pomembno prevodnost in valovanje v njej vzbuja visokofrekvenčne tokove. Gostota toka je sorazmerna s frekvenco, zato do večjih tokov in s tem toplotnih izgub prihaja le pri širjenju centimetrskih in krajših valov. Ti tokovi ne povzročajo samo toplotnih izgub, ampak so vir sekundarnega razpršenega sevanja, ki oslabi neposredni signal. Gostota pretoka sipane energije je obratno sorazmerna z l 4, če je velikost sipajočega delca d< l, in ni odvisen od l if d>>l (glej sipanje svetlobe ). Praktično skozi območje močnega dežja ali megle, valov z l< 3cm ne more širiti. Valovi krajši od 1,5 cm, poleg tega doživijo resonančno absorpcijo v vodni pari (l = 1,5 cm; 1,35 cm; 0,75 cm; 0,5 cm; 0,25 cm) in kisik (l = 0,5 cm in 0,25 cm). Energija širjenja valov se v tem primeru porabi za ionizacijo ali vzbujanje atomov in molekul. Med resonančnimi črtami so področja nizke absorpcije.
Širjenje radijskih valov v ionosferi. AT ionosfera - večkomponentni plazma , ki se nahaja v Zemljinem magnetnem polju mehanizem Razširjanje radijskih valov težje kot v troposferi. Pod delovanjem radijskih valov v ionosferi lahko nastanejo tako prisilna nihanja elektronov in ionov kot različne vrste kolektivnih naravnih nihanj (plazemska nihanja). Odvisno od frekvence radijskega valovanja w ima eno ali drugo glavno vlogo, zato so električne lastnosti ionosfere različne za različne razpone radijskih valov. Pri visoki frekvenci w in Razširjanje radijskih valov sodelujejo le elektroni, katerih lastna frekvenca nihanja (Langmuirjeva frekvenca) je enaka:
(3)
kje e - napolniti, m- utež, - koncentracija elektronov. Prisilna nihanja prostih elektronov ionosfere v nasprotju z elektroni troposfere, ki so tesno povezani z atomi, zaostajajo za električnim poljem visokofrekvenčnega valovanja v fazi skoraj 2p. Ta premik elektronov poveča polje E valovanje v ionosferi ( riž. enajst ). Zato je prepustnost e, enaka razmerju med zunanjo poljsko jakostjo in poljsko jakostjo znotraj medija, se izkaže za ionosfero< 1: e = 1 - w 2 0 / w 2 . Upoštevanje trkov elektronov z atomi in ioni daje natančnejše formule za e in s ionosfere:
, 
(4)
kjer je n število trkov na sekundo.
Za visoke frekvence, začenši s kratkimi valovi, v večini ionosfere velja razmerje: w 2 >> n 2 in lomni količniki n in absorpcije c so:
; (5)
Ko frekvenca narašča, se c zmanjšuje in n raste, se približuje 1. Ker n< 1, fazna hitrost širjenja valov . Hitrost širjenja energije (valovna skupinska hitrost) v ionosferi je enaka z× n in v skladu z relativnostna teorija manj z.
Odboj radijskih valov. Za val z w< w 0 n in u postanejo imaginarne vrednosti, kar pomeni, da se takšno valovanje v ionosferi ne more širiti. Ker koncentracija elektronov in frekvenca plazme w 0 v ionosferi naraščata z višino ( riž. 12 ), potem se vpadni val, ki prodre v ionosfero, razširi do ravni, pri kateri lomni količnik izgine. Na tej višini se val popolnoma odbije od ionosferske plasti. Z naraščanjem frekvence vpadni val prodre globlje v plast ionosfere. Največja frekvenca valovanja, ki se odbije od ionosferske plasti med navpičnim vpadom, se imenuje kritična frekvenca plasti:
(6)
Kritična frekvenca plasti 2 (glavni maksimum, riž. 12 ) se čez dan in iz leta v leto spreminja približno od 5 do 10 MHz Za valove s frekvenco w > w cr n povsod > 0, tj. val prehaja skozi plast, ne da bi se odbil.
Ko val poševno vpada na ionosfero, je največja frekvenca valovanja, ki se vrača na Zemljo, večja od w cr. Radijski val, ki vpade na ionosfero pod kotom j 0 in doživi lom, se obrne proti Zemlji na višini, kjer je j( z) = p/2. Pogoj refleksije za poševni vpad ima obliko: n(z) = sinj 0 . Frekvenci valov, ki se odbijejo od dane višine pri poševnem in navpičnem vpadu, sta povezani z razmerjem: w inc = w vert secj 0. Največja frekvenca valov, ki se odbije od ionosfere pod danim vpadnim kotom, tj. dolžina poti, se imenuje največja uporabna frekvenca (MCH).
Dvojni lom. Pomemben vpliv na Razširjanje radijskih valov izvaja zemeljsko magnetno polje 0 = 0,5 uh, prodiranje v ionosfero. V stalnem magnetnem polju postane ioniziran plin anizotropen medij. Valovanje, ki vstopa v ionosfero, doživi dvolomnost , tj. razcepi se na 2 valovanja, ki se razlikujeta po hitrosti in smeri širjenja, absorpcije in polarizacije. V magnetnem polju H 0 vpliva na elektron, ki se giblje s hitrostjo u Lorenzova sila , pod vplivom katerega se elektron vrti s frekvenco (žiroskopsko frekvenco) okoli silnic magnetnega polja. Posledično se spremeni narava prisilnih nihanj ionosferskih elektronov pod vplivom električnega polja valovanja.
V najpreprostejšem primeru, ko smer Razširjanje radijskih valov pravokotno H 0 (E leži v isti ravnini kot H 0), lahko val predstavimo kot vsoto 2 valov z E^ H 0 in E|| H 0 . Za prvi val (izreden) je narava gibanja elektronov in posledično n spremenijo, za drugo (navadno) ostanejo enaki kot v odsotnosti magnetnega polja:
; (7)
V primeru poljubne smeri Razširjanje radijskih valov glede na zemeljsko magnetno polje so formule bolj zapletene: kako n 1 in n 2 odvisen od w H . Ker odboj radijskega valovanja prihaja od plasti, kjer n= 0, potem se navadni in izredni valovi odbijajo na različnih višinah. Tudi kritične frekvence zanje so različne.
Kot Razširjanje radijskih valov v ionosferi se zaradi razlike v hitrosti kopiči fazni zamik med valovi, zaradi česar se polarizacija nastalega valovanja zvezno spreminja. Linearna polarizacija vpadnega vala se ohrani pod določenimi pogoji, vendar se polarizacijska ravnina med širjenjem vrti (glej sl. Vrtenje polarizacijske ravnine ). V splošnem primeru je polarizacija obeh valov eliptična.
Sipanje radijskih valov. Poleg redne odvisnosti koncentracije elektronov z višine ( riž. 12 ), v ionosferi nenehno prihaja do naključnih sprememb koncentracije. Ionosferska plast vsebuje veliko število heterogenih tvorb različnih velikosti, ki so v stalnem gibanju in spreminjanju, raztapljanju in ponovnem pojavljanju. Kot rezultat, poleg glavnega odbitega signala, na sprejemno točko prispe veliko razpršenih valov ( riž. 13 ), katerega dodajanje vodi do bledenja - kaotičnih sprememb signala.
Obstoj nehomogenih formacij vodi v možnost razpršenega odboja radijskih valov na frekvencah, ki so veliko višje od maksimalnih frekvenc odboja od običajne ionosfere. Podobno kot sipanje na nehomogenostih troposfere, ta pojav povzroči daljnosežno Razširjanje radijskih valov(metrsko območje).
V ionosferi ob vdoru vanjo nastanejo značilne nehomogene tvorbe meteoriti. Elektroni, ki jih oddaja vroč meteorit, ionizirajo okolje in za letečim meteoritom tvorijo sled, katere premer se zaradi difuzije molekul hitro poveča. Ionizirane sledi se ustvarjajo v območju nadmorske višine 80-120 km, trajanje njihovega obstoja se giblje od 0,1 do 100 sek. Radijski valovi se zrcalno odbijajo od sledi meteorja. Učinkovitost tega postopka je odvisna od mase meteorita.
nelinearni učinki. Pri signalih z manjšo močjo se dva radijska valova širita skozi isto območje ionosfere neodvisno drug od drugega (glej sliko 1). Načelo superpozicije ), je ionosfera linearni medij. Za močne radijske valove, ko polje E valovanje je primerljivo z značilnim "plazemskim poljem" E p ionosfere, e in s začneta biti odvisna od poljske jakosti razširjajočega se valovanja. Linearna povezava med električnim tokom in poljem je porušena E.
Nelinearnost ionosfere se lahko kaže v obliki navzkrižne modulacije 2 signalov ( Luxembourg - Gorky učinek ) in v "samodelovanju" močnega valovanja, na primer pri spremembi globine modulacije signala, ki se odbija od ionosfere.
Značilnosti širjenja radijskih valov različnih razponov v ionosferi. Začenši z VHF valovi, katerih frekvenca je višja od največje uporabne frekvence (MUF), prehajajo skozi ionosfero. Valovi, katerih frekvenca je pod MUF, se odbijajo od ionosfere in se vračajo na Zemljo. Takšni radijski valovi se imenujejo ionosferski in se uporabljajo za radijsko komunikacijo na velike razdalje na Zemlji. Razpon ionosferskih valov od spodaj po frekvenci je omejen z absorpcijo. Zato komunikacija z uporabo ionosferskih valov poteka v območju kratkih valov in ponoči (zmanjša se absorpcija) v območju srednjih valov. Razpon Razširjanje radijskih valov z enim odbojem od ionosfere ~ 3500-4000 km, Ker vpadni kot j na ionosfero je omejen zaradi konveksnosti Zemlje: najblažji žarek se dotakne Zemljine površine ( riž. štirinajst ). Komunikacija na velike razdalje se izvaja zaradi več odbojev od ionosfere ( riž. petnajst ).
Dolgi in zelo dolgi valovi praktično ne prodrejo v ionosfero in se odbijajo od njene spodnje meje, ki je tako rekoč stena sferičnega radijskega valovoda (Zemlja služi kot druga stena valovoda). Valovi, ki jih oddaja antena na določeni točki Zemlje, jo obkrožajo v vseh smereh in se stekajo na nasprotni strani. Dodajanje valov povzroči rahlo povečanje jakosti polja na nasprotni točki (učinek antipoda, riž. 16 ).
Radijski valovi zvočnih frekvenc lahko filtrirajo skozi ionosfero vzdolž silnic zemeljskega magnetnega polja. S širjenjem vzdolž magnetne silnice val prepotuje razdaljo, ki je enaka več polmerom Zemlje, nato pa se vrne v konjugirano točko, ki se nahaja na drugi polobli ( riž. 17 ). Vir takšnih valov so razelektritve strele v troposferi. S širjenjem na opisani način ustvarijo signal z značilnim piskanjem na vhodu sprejemnika (žvižganje atmosferikov ).
Za radijske valove infrazvočnih frekvenc, katerih frekvenca je manjša od giroskopske frekvence ionov, se ionosfera obnaša kot prevodna nevtralna tekočina, katere gibanje opisujejo enačbe hidrodinamika.
Zaradi prisotnosti zemeljskega magnetnega polja vsak premik prevodne snovi, ki ustvarja električni tok, spremlja pojav Lorentzovih sil, ki spremenijo stanje gibanja. Interakcija med mehanskimi in elektromagnetnimi silami vodi do gibanja naključno generiranega gibanja v ioniziranem plinu vzdolž magnetnih silnic, to je do pojava magnetohidrodinamičnih (Alfvenovih) valov, ki se širijo vzdolž magnetnih silnic s hitrostjo 
4,5 × 10 4 m/sek(r je gostota ioniziranega plina).
Vesoljska radijska komunikacija. Ko je eden od dopisnikov na Zemlji, je obseg valovnih dolžin, primernih za komunikacijo z vesoljskim objektom, določen s pogoji prehoda skozi Zemljino atmosfero. Ker radijski valovi, katerih frekvenca< МПЧ (5-30 MHz), ne prehajajo skozi ionosfero in valovi s frekvenco > 6-10 GHz absorbirajo v troposferi, potem lahko valove iz vesoljskega telesa sprejme na Zemlji na frekvencah od ~ 30 MHz do 10 GHz Vendar tudi v tem območju zemeljska atmosfera ni popolnoma prosojna za radijske valove. Vrtenje ravnine polarizacije pri prehodu skozi ionosfero pri sprejemu na konvencionalni anteni povzroči izgube, ki se zmanjšujejo z naraščajočo frekvenco. Samo pri frekvencah > 3 GHz jih je mogoče zanemariti riž. osemnajst ). Ti pogoji določajo obseg radijskih valov za komunikacijo na dolge razdalje na VHF pri uporabi satelitov.
Za komunikacijo z objekti, ki se nahajajo na drugih planetih, je treba upoštevati tudi absorpcijo v ozračju teh planetov. Pri komunikaciji med dvema vesoljskima ploviloma zunaj atmosfere planetov dobijo milimetrski in svetlobni valovi poseben pomen, saj zagotavljajo največjo zmogljivost komunikacijskih kanalov (glej sliko 1). optična komunikacija ). Podrobnosti postopka Razširjanje radijskih valov v vesolju daje radioastronomija .
Podzemna in podvodna radijska komunikacija. Zemeljska skorja, pa tudi vode morij in oceanov so prevodne in močno absorbirajo radijske valove. Za sedimentne kamnine v površinski plasti zemeljske skorje s » 10 -3 -10 -2 ohm -1 m -1 . V teh medijih valovanje praktično oslabi na razdalji £ l. Poleg tega se pri medijih z velikimi s absorpcijski koeficient povečuje z naraščajočo frekvenco. Zato se za podzemno radijsko komunikacijo uporabljajo predvsem dolgi in ultra dolgi valovi. Pri podvodni komunikaciji se poleg ultra dolgih valov uporabljajo valovi optičnega razpona.
V komunikacijskih sistemih med podzemnimi ali podvodnimi točkami se lahko uporablja delno širjenje po površini Zemlje ali morja. Navpično polariziran val, ki ga vzbuja podzemna oddajna antena, se širi do zemeljskega površja, se lomi na meji med Zemljo in atmosfero, se širi vzdolž zemeljskega površja in ga nato sprejme podzemna sprejemna antena ( riž. 19 ). Globina potopitve antene doseže desetine m. Tovrstni sistemi zagotavljajo domet do nekaj sto km in se uporabljajo na primer za komunikacijo med podzemnimi kontrolnimi točkami pri izstrelitvi raket. Druge vrste sistemov uporabljajo podzemne valovode – plasti zemeljske skorje, ki imajo nizko prevodnost in posledično majhne izgube. Te pasme vključujejo kamena sol , pepelike itd. Te kamnine se pojavljajo v globinah do stotin m in zagotoviti obseg Razširjanje radijskih valov do več deset km. Nadaljnji razvoj te smeri je uporaba trdih kamnin (granitov, gnajsov, bazaltov itd.), ki se nahajajo na velikih globinah in imajo nizko prevodnost ( riž. dvajset ). Na globini 3-7 km s se lahko zmanjša na 10 -11 ohm -1 m -1 . Z nadaljnjim povečevanjem globine zaradi naraščanja temperature nastane ionizacija (obrnjena ionosfera) in poveča se prevodnost. Podzemni valovod z debelino nekaj km, v katerem je možno Razširjanje radijskih valov na razdalji več tisoč km. Eden glavnih problemov podzemnih in podvodnih komunikacij je izračun sevanja in prenosa energije iz antene , ki se nahaja v prevodnem mediju.
Prednost podzemnih komunikacijskih sistemov je njihova neodvisnost od neviht, orkanov in umetnega uničevanja na površju Zemlje. Poleg tega imajo podzemni komunikacijski sistemi zaradi zaščitnega učinka zgornjih prevodnih sedimentnih kamnin visoko odpornost proti hrupu industrijskega in atmosferskega hrupa.
Lit.: Feinberg E. L., Širjenje radijskih valov vzdolž zemeljske površine, M., 1961; Alpert Ya.L., Širjenje elektromagnetnih valov in ionosfera, M., 1972; Gurevich A. V., Shvartsburg A. B., Nelinearna teorija širjenja radijskih valov v ionosferi, M., 1973; Brekhovskikh L. M., Valovi v slojevitih medijih, 2. izd., M., 1973; Tatarsky V.I., Širjenje valov v turbulentni atmosferi, M., 1967; Chernov L. A., Širjenje valov v mediju z naključnimi nehomogenostmi, Moskva, 1958; Ginzburg V. L., Širjenje elektromagnetnih valov v plazmi, M., 1967; Makarov G.I., Pavlov V.A., Pregled del, povezanih s podzemnim širjenjem radijskih valov. Problemi difrakcije in širjenja radijskih valov, Sat. 5, L., 1966; Dolukhanov M.P., Širjenje radijskih valov, 4. izdaja, M., 1972; Haveley N. P., Nikitin L. M., Podzemni radijski komunikacijski sistemi, Tuja radijska elektronika, 1963, št. 10; Gabilard [R.], Degok [P.], Waite [J.], Radijska komunikacija med podzemnimi in podvodnimi točkami, ibid., 1972, št. 12; Ratcliff J.A., Teorija magnetnih ionov in njene aplikacije za ionosfero, trans. iz angleščine, M., 1962.
riž. 19. Podzemni komunikacijski sistem z delnim širjenjem radijskih valov po zemeljski površini. Sekundarni valovi so prikazani pogojno.
Članek o slov Razširjanje radijskih valov" v Veliki sovjetski enciklopediji je bilo prebrano 36675 krat
Radiofrekvenčno območje in njegova uporaba za radijske komunikacije
2.1 Osnove širjenja radijskih valov
Radijska komunikacija zagotavlja prenos informacij na daljavo z uporabo elektromagnetnih valov (radijski valovi).
radijski valovi- to so elektromagnetna nihanja, ki se v vesolju širijo s svetlobno hitrostjo (300.000 km / s). Mimogrede, svetloba se nanaša tudi na elektromagnetno valovanje, kar določa njihove zelo podobne lastnosti (odboj, lom, slabljenje itd.).
Radijski valovi po vesolju prenašajo energijo, ki jo oddaja generator elektromagnetnih nihanj. In rodijo se ob spremembi električnega polja, na primer, ko skozi vodnik teče izmenični električni tok ali ko skozi prostor preskakujejo iskre, tj. niz hitrih zaporednih tokovnih impulzov.
riž. 2.1 Struktura elektromagnetnega valovanja.
Za elektromagnetno sevanje so značilne frekvenca, valovna dolžina in moč prenesene energije. Frekvenca elektromagnetnega valovanja kaže, kolikokrat na sekundo se spremeni smer električnega toka v oddajniku in s tem, kolikokrat na sekundo se spremenita velikost električnega in magnetnega polja v posamezni točki prostora.
Frekvenca se meri v hercih (Hz) - enotah, poimenovanih po velikem nemškem znanstveniku Heinrichu Rudolfu Hertzu. 1 Hz je en cikel na sekundo, 1 megaherc (MHz) je en milijon ciklov na sekundo. Če vemo, da je hitrost elektromagnetnega valovanja enaka hitrosti svetlobe, je mogoče določiti razdaljo med točkami v prostoru, kjer je električno (ali magnetno) polje v isti fazi. Ta razdalja se imenuje valovna dolžina.
Valovna dolžina (v metrih) se izračuna po formuli:
, ali približno
kjer je f frekvenca elektromagnetnega sevanja v MHz.
Iz formule je razvidno, da na primer frekvenca 1 MHz ustreza valovni dolžini približno 300 m.Z naraščanjem frekvence se valovna dolžina zmanjšuje, z zmanjševanjem pa povečuje.
Elektromagnetno valovanje prosto prehaja skozi zrak ali vesolje (vakuum). Če pa na poti vala naletimo na kovinsko žico, anteno ali katero koli drugo prevodno telo, mu predajo svojo energijo in s tem povzročijo izmenični električni tok v tem prevodniku. Toda prevodnik ne absorbira vse energije valov, del se odbije od površine. Mimogrede, na tem temelji uporaba elektromagnetnih valov v radarju.
Druga uporabna lastnost elektromagnetnih valov (vendar kot vseh drugih valov) je njihova sposobnost, da se ogibajo okoli teles na svoji poti. A to je mogoče le, če so dimenzije telesa manjše od valovne dolžine ali z njo primerljive. Na primer, da bi zaznali letalo, mora biti dolžina radijskega valovanja lokatorja manjša od njegovih geometrijskih dimenzij (manj kot 10 m). Če je telo daljše od valovne dolžine, jo lahko odbije. Vendar se morda ne odraža - spomnite se "Stealth".
Energija, ki jo prenaša elektromagnetno valovanje, je odvisna od moči generatorja (oddajnika) in razdalje do njega, t.j. energijski tok na enoto površine je premo sorazmeren z močjo sevanja in obratno sorazmeren s kvadratom razdalje do sevalca. To pomeni, da je doseg komunikacije odvisen od moči oddajnika, v veliko večji meri pa od razdalje do njega.
Energijski tok elektromagnetnega sevanja od Sonca do zemeljske površine na primer doseže 1 kilovat na kvadratni meter, energijski tok srednjevalovne radijske postaje pa le tisočinke in celo milijoninke vata na kvadratni meter.
2.2 Dodelitev radijskega spektra
Radijski valovi (radijske frekvence), ki se uporabljajo v radijski tehniki, zavzemajo spekter od 10.000 m (30 kHz) do 0,1 mm (3.000 GHz). To je le del obsežnega spektra elektromagnetnega valovanja. Radijskim valovom (v padajoči dolžini) sledijo toplotni ali infrardeči žarki. Za njimi pride ozek del valov vidne svetlobe, nato spekter ultravijoličnih, rentgenskih in gama žarkov – vse to so elektromagnetna nihanja enake narave, razlikujejo se le po valovni dolžini in s tem po frekvenci.
Čeprav je celoten spekter razdeljen na regije, so meje med njimi začrtane pogojno. Regije si sledijo neprekinjeno ena za drugo, prehajajo druga v drugo in se v nekaterih primerih prekrivajo.
Toda ti razponi so zelo obsežni in so razdeljeni na odseke, ki vključujejo tako imenovana radiodifuzna in televizijska dometa, dometa za kopensko in letalsko, vesoljsko in pomorsko komunikacijo, za prenos podatkov in medicino, za radar in radijsko navigacijo, itd. Vsaka radijska storitev ima svoj del območja ali fiksne frekvence. V resnici se za namene radijske komunikacije uporabljajo nihanja v frekvenčnem območju od 10 kHz do 100 GHz. Uporaba enega ali drugega frekvenčnega intervala za komunikacijo je odvisna od številnih dejavnikov, zlasti od pogojev širjenja radijskih valov različnih razponov, zahtevanega komunikacijskega dosega, izvedljivosti vrednosti moči oddajnika v izbranem frekvenčnem intervalu itd.
Z mednarodnimi dogovori je celoten spekter radijskih valov, ki se uporabljajo v radijskih komunikacijah, razdeljen na območja (tabela 1):
Tabela 1
| št. p.p. | Ime obsega | Omejitve obsega | |||
| Valovi | Zastareli izrazi | frekvence | radijski valovi | frekvence | |
| 1 | Merilnik DKMGMVDekaMega | Izjemno nizke frekvence (ELF) | 100.000-10.000 km | 3-30Hz | |
| 2 | MGMMVMegameter | Zelo nizke frekvence (VLF) | 10.000-1.000 km | 30-3.000Hz | |
| 3 | GCMMVHektakilometer | Infra nizke frekvence (INF) | 1.000-100 km | 0,3-3 kHz | |
| 4 | MRMVMiriameter | DODAJ | Zelo nizke frekvence (VLF) VLF | 100-10 km | 3-30kHz |
| 5 | KMVKilometer | DV | Nizke frekvence (LF) LF | 10-1 km | 30-300kHz |
| 6 | GCMWhektameter | JZ | Srednje frekvence (MF) VF | 1000-100m | 0,3-3 MHz |
| 7 | DKMVDekameter | HF | Visoke frekvence (HF) HF | 100-10m | 3-30 MHz |
| 8 | MWMeter | VHF | Zelo visoke frekvence (VHF) VHF | 10-1m | 30-300 MHz |
| 9 | DCMVDecimeter | VHF | Ultravisoka frekvenca (UHF) UHF | 10-1 dm | 0,3-3 GHz |
| 10 | SMVScentimeter | VHF | Ultra visoke frekvence (SHF) SHF | 10-1 cm | 3-30 GHz |
| 11 | MMVM milimeter | VHF | Ekstremno visoke frekvence (EHF) EHF | 10-1 mm | 30-300 GHz |
| 12 | DCMMWDecimili- meter Submilli- meter |
SUMM | Hiper visoke frekvence (HHF) | 1-0,1 mm | 0,3-3 THz |
| 13 | svetloba | < 0,1 мм | > 3 THz | ||
riž. 2.2 Primer dodeljevanja spektra med različne storitve.
Radijski valovi se preko antene sevajo v vesolje in se širijo v obliki energije elektromagnetnega polja. In čeprav je narava radijskih valov enaka, je njihova sposobnost širjenja močno odvisna od valovne dolžine.
Podlaga za radijske valove je prevodnik električne energije (čeprav ne zelo dober). Ko gredo čez zemeljsko površino, radijski valovi postopoma oslabijo. To je posledica dejstva, da elektromagnetni valovi vzbujajo električne tokove na površini zemlje, za kar se porabi del energije. Tisti. energijo absorbira zemlja, in več kot je, krajša je valovna dolžina (višja je frekvenca).
Poleg tega valovna energija oslabi tudi zato, ker se sevanje širi v vse smeri prostora in zato, čim dlje je sprejemnik od oddajnika, manj je energije na enoto površine in manj je vstopi v anteno.
Oddaje dolgovalovnih oddajnih postaj je mogoče sprejemati na razdaljah do nekaj tisoč kilometrov, raven signala pa se gladko zmanjšuje, brez skokov. Srednjevalovne postaje so slišne v razdalji tisoč kilometrov. Kar zadeva kratke valove, njihova energija močno upada z oddaljenostjo od oddajnika. To pojasnjuje dejstvo, da so se na začetku razvoja radia za komunikacijo uporabljali predvsem valovi od 1 do 30 km. Valovi, krajši od 100 metrov, so na splošno veljali za neprimerne za komunikacijo na dolge razdalje.
Vendar pa so nadaljnje študije kratkih in ultrakratkih valov pokazale, da hitro razpadejo, ko potujejo blizu zemeljske površine. Ko je sevanje usmerjeno navzgor, se kratki valovi vračajo.
Že leta 1902 sta angleški matematik Oliver Heaviside in ameriški inženir elektrotehnike Arthur Edwin Kennelly skoraj sočasno predvidela, da nad Zemljo obstaja ionizirana plast zraka – naravno ogledalo, ki odbija elektromagnetne valove. Ta sloj je bil poimenovan ionosfera.
Zemljina ionosfera naj bi omogočila povečanje obsega širjenja radijskih valov na razdalje, ki presegajo vidno polje. Ta predpostavka je bila eksperimentalno dokazana leta 1923. RF impulzi so bili oddani navpično navzgor in sprejeti so bili povratni signali. Meritve časa med pošiljanjem in sprejemanjem impulzov so omogočile določitev višine in števila odbojnih plasti.
2.3 Vpliv atmosfere na širjenje radijskih valov
Narava širjenja radijskih valov je odvisna od valovne dolžine, ukrivljenosti Zemlje, tal, sestave ozračja, časa dneva in leta, stanja ionosfere, zemeljskega magnetnega polja, meteoroloških razmer.
Razmislite o strukturi ozračja, ki pomembno vpliva na širjenje radijskih valov. Odvisno od časa dneva in leta se spreminjata vsebnost vlage in gostota zraka.
Zrak, ki obdaja zemeljsko površino, tvori atmosfero, katere višina je približno 1000-2000 km. Sestava zemeljske atmosfere ni enotna.
riž. 2.3 Struktura ozračja.
Plasti atmosfere do višine okoli 100-130 km so po sestavi homogene. V teh plasteh je zrak, ki vsebuje (po prostornini) 78 % dušika in 21 % kisika. Spodnja plast ozračja z debelino 10-15 km (slika 2.3) se imenuje troposfera. Ta plast vsebuje vodno paro, katere vsebnost močno niha s spremembami vremenskih razmer.
Troposfera se postopoma spremeni v stratosfera. Meja je višina, pri kateri se padanje temperature ustavi.
Na nadmorski višini približno 60 km in več nad Zemljo pride pod vplivom sončnih in kozmičnih žarkov v atmosferi do ionizacije zraka: del atomov razpade na proste elektroni in ioni. V zgornjih plasteh atmosfere je ionizacija zanemarljiva, saj je plin zelo redčen (majhno število molekul na prostorninsko enoto). Ko sončni žarki prodirajo v gostejše plasti ozračja, se stopnja ionizacije poveča. Ko se približujemo Zemlji, se energija sončnih žarkov zmanjšuje, stopnja ionizacije pa se spet zmanjšuje. Poleg tega v nižjih plasteh atmosfere zaradi visoke gostote negativni naboji ne morejo obstajati dolgo časa; poteka proces obnavljanja nevtralnih molekul.
Ionizacija v redčeni atmosferi na nadmorski višini 60-80 km od Zemlje in več traja dolgo časa. Na teh višinah je ozračje zelo redko, gostota prostih elektronov in ionov je tako nizka, da je trk in s tem obnovitev nevtralnih atomov razmeroma redek.
Zgornji sloj ozračja se imenuje ionosfera. Ioniziran zrak pomembno vpliva na širjenje radijskih valov.
Čez dan nastanejo štiri pravilne plasti oziroma ionizacijski maksimumi – plasti D, E, F 1 in F 2. Plast F 2 ima največjo ionizacijo (največje število prostih elektronov na enoto volumna).
Po sončnem zahodu ionizirajoče sevanje močno upade. Obstaja obnova nevtralnih molekul in atomov, kar vodi do zmanjšanja stopnje ionizacije. Plasti ponoči popolnoma izginejo D in F 2, slojna ionizacija E znatno zmanjša in F 2 ohranja ionizacijo z nekaj slabljenja.
riž. 2.4 Odvisnost širjenja radijskih valov od frekvence in časa dneva.
Višina plasti ionosfere se ves čas spreminja glede na intenzivnost sončnih žarkov. Podnevi je višina ioniziranih plasti manjša, ponoči višja. Poleti je v naših zemljepisnih širinah elektronska gostota ioniziranih plasti večja kot pozimi (z izjemo plasti F 2). Stopnja ionizacije je odvisna tudi od stopnje sončne aktivnosti, ki jo določa število sončnih peg. Obdobje sončne aktivnosti je približno 11 let.
V polarnih širinah opazimo nepravilne ionizacijske procese, povezane s tako imenovanimi ionosferskimi motnjami.
Obstaja več načinov, kako radijski val pride do sprejemne antene. Kot smo že omenili, se radijski valovi, ki se širijo nad zemeljsko površino in jo obdajajo zaradi pojava uklona, imenujejo površinski ali zemeljski valovi (smer 1, slika 2.5). Imenujejo se valovi, ki se širijo v smeri 2 in 3 prostorsko. Delimo jih na ionosferske in troposferske. Slednje opazimo samo v VHF pasu. ionosferski imenovani valovi, ki jih ionosfera odbija ali razprši, troposferski‒ valovi, ki jih odbijajo ali razpršijo nehomogene plasti ali "zrna" troposfere.
riž. 2.5 Načini širjenja radijskih valov.
površinski val dno sprednje strani se dotika Zemlje, kot je prikazano na sl. 2.6. To valovanje s točkovnim virom ima vedno navpično polarizacijo, saj vodoravno komponento valovanja absorbira Zemlja. Z zadostno oddaljenostjo od vira, izraženo v valovnih dolžinah, je vsak segment valovne fronte raven val.
Površina Zemlje absorbira del energije površinskih valov, ki se širijo vzdolž nje, saj ima Zemlja aktivni upor.
riž. 2.6 Širjenje površinskih valov.
Čim krajši je val, tj. višja kot je frekvenca, večji je tok induciran v zemlji in večja je izguba. Izgube v Zemlji se zmanjšujejo z večanjem prevodnosti tal, saj valovi manj prodrejo v Zemljo, večja je prevodnost tal. V Zemlji se pojavljajo tudi dielektrične izgube, ki prav tako naraščajo s krajšanjem valov.
Pri frekvencah nad 1 MHz je talno valovanje dejansko močno oslabljeno zaradi absorpcije s strani Zemlje in se zato ne uporablja, razen v lokalnem območju pokritosti. Pri televizijskih frekvencah je slabljenje tako veliko, da je površinsko valovanje mogoče uporabiti na razdaljah največ 1-2 km od oddajnika.
Komunikacija na velike razdalje se izvaja predvsem s prostorskimi valovi.
Da bi dobili lom, to je vrnitev valovanja na Zemljo, mora biti val oddan pod določenim kotom glede na zemeljsko površino. Imenuje se največji kot sevanja, pri katerem se radijski val določene frekvence vrne na zemljo kritični kot za določeno ionizirano plast (slika 2.7). 
riž. 2.7 Vpliv kota sevanja na prehod nebesnega vala.
Vsaka ionizirana plast ima svojega kritična frekvenca in kritični kot.
Na sl. 2.7 prikazuje žarek, ki ga plast zlahka lomi E, saj žarek vstopi pod kotom pod kritičnim kotom te plasti. Žarek 3 poteka skozi območje E, vendar se vrne na Zemljo v plasti F 2, ker vstopa pod kotom pod kritičnim kotom plasti F 2. Skozi plast gre tudi žarek 4 E. Vstopi v plast F 2 pod kritičnim kotom in se vrne na Zemljo. Žarek 5 gre skozi obe področji in se izgubi v prostoru.
Vsi žarki, prikazani na sl. 2.7 se nanašajo na isto frekvenco. Če se uporabi nižja frekvenca, so potrebni večji kritični koti za obe regiji; nasprotno, če se frekvenca poveča, imata obe regiji manjša kritična kota. Če bomo še naprej povečevali frekvenco, bo prišel trenutek, ko bo val, ki se širi od oddajnika vzporedno z Zemljo, presegel kritični kot za katero koli območje. To stanje dobimo pri frekvenci približno 30 MHz. Nad to frekvenco komunikacija nebesnih valov postane nezanesljiva.
Torej ima vsaka kritična frekvenca svoj kritični kot in obratno, vsak kritični kot ima svojo kritično frekvenco. Zato se bo vsak nebesni val, katerega frekvenca je enaka ali nižja od kritične, vrnil na Zemljo na določeni razdalji od oddajnika.
Na sl. 2.7 žarek 2 pade na plast E pod kritičnim kotom. Upoštevajte, kje odbiti val zadene Zemljo (signal se izgubi, če je kritični kot presežen); prostorski val, ki doseže ionizirano plast, se od nje odbije in se vrne na Zemljo na veliki razdalji od oddajnika. Na določeni razdalji od oddajnika, odvisno od moči oddajnika in valovne dolžine, je možen sprejem površinskega valovanja. Od mesta, kjer se konča sprejem površinskega vala, se območje tišine in se konča tam, kjer se pojavi odbiti prostorski val. Nimajo ostre meje območja tišine.
riž. 2.8 Območja sprejema površinskih in prostorskih valov.
Z naraščanjem frekvence se vrednost mrtva cona poveča zaradi zmanjšanja kritičnega kota. Za komunikacijo z dopisnikom na določeni razdalji od oddajnika ob določenih urah dneva in letnih časih obstaja največjo dovoljeno frekvenco, ki se lahko uporablja za komunikacijo vesoljskih valov. Vsako območje ionosfere ima svojo največjo dovoljeno frekvenco za komunikacijo.
Kratki in predvsem ultrakratki valovi v ionosferi izgubijo nepomemben del svoje energije. Višja kot je frekvenca, krajšo pot prehodijo elektroni med svojim nihanjem, zaradi česar se zmanjša število njihovih trkov z molekulami, to je, zmanjša se izguba energije valovanja.
V nižje ioniziranih plasteh so izgube večje, saj višji tlak pomeni večjo gostoto plina, z večjo gostoto plina pa se poveča verjetnost trka delcev.
Dolgi valovi se odbijajo od nižjih plasti ionosfere, ki imajo najnižjo koncentracijo elektronov, pod vsemi koti višine, vključno s tistimi, ki so blizu 90°. Tla srednje vlažnosti so skoraj prevodnik za dolge valove, zato se dobro odbijajo od Zemlje. Večkratni odboji od ionosfere in Zemlje pojasnjujejo širjenje dolgih valov na velike razdalje.
Širjenje dolgih valov ni odvisen od letnega časa in meteoroloških razmer, od obdobja sončne aktivnosti in od ionosferskih motenj. Pri odboju od ionosfere se dolgi valovi močno absorbirajo. Zato so za komunikacijo na velike razdalje potrebni oddajniki velike moči.
srednji valovi se opazno absorbirajo v ionosferi in tleh s slabo in srednjo prevodnostjo. Čez dan opazimo le površinsko valovanje, saj se nebesni val (daljši od 300 m) skoraj popolnoma absorbira v ionosferi. Za popolni notranji odboj morajo srednji valovi prepotovati določeno pot v spodnjih plasteh ionosfere, ki imajo, čeprav imajo nizko koncentracijo elektronov, pomembno gostoto zraka.
Ponoči, z izginotjem plasti D, se absorpcija v ionosferi zmanjša, zaradi česar je mogoče vzdrževati komunikacijo na nebesnih valovih na razdaljah 1500-2000 km z močjo oddajnika približno 1 kW. Komunikacijske razmere pozimi so nekoliko boljše kot poleti.
Prednost srednjih valov je, da nanje ne vplivajo ionosferske motnje.
Po mednarodni pogodbi se signali v sili (signali SOS) oddajajo na valovih okoli 600 m.
Pozitivna stran sky wave komunikacije na kratkih in srednjih valovih je možnost komunikacije na dolge razdalje z nizko močjo oddajnika. Ampak komunikacija vesoljskih valov ima in pomembne pomanjkljivosti.
Prvič, komunikacijska nestabilnost zaradi sprememb višine ioniziranih plasti atmosfere čez dan in leto. Če želite vzdrževati komunikacijo z isto točko na dan, morate 2-3 krat spremeniti valovno dolžino. Pogosto se zaradi spremembe stanja ozračja komunikacija za nekaj časa popolnoma prekine.
Drugič, prisotnost cone tišine.
Valovi krajši od 25 m se imenujejo "dnevni valovi", saj se čez dan dobro širijo. "Nočni valovi" vključujejo valove, daljše od 40 m. Ti valovi se dobro širijo ponoči.
Pogoje za širjenje kratkih radijskih valov določa stanje ionizirane plasti Fg. Koncentracija elektronov te plasti je pogosto motena zaradi neenakomernega sončnega obsevanja, kar povzroča ionosferske motnje in magnetne nevihte. Zaradi tega se energija kratkih radijskih valov močno absorbira, kar oteži radijsko komunikacijo, včasih jo celo popolnoma onemogoči. Še posebej pogosto so ionosferske motnje opažene na zemljepisnih širinah blizu polov. Zato je kratkovalovna komunikacija tam nezanesljiva.
Najbolj opazen ionosferske motnje imajo svojo periodičnost: ponavljajo se skozi 27 dni(čas vrtenja sonca okoli svoje osi).
V območju kratkih valov je močno prizadet vpliv industrijskih, atmosferskih in medsebojnih motenj.
Optimalne komunikacijske frekvence na kratkih valovih so izbrani podlagi radijskih napovedi, ki so razdeljene v dolgoročno in kratkoročno. Dolgoročne napovedi kažejo na pričakovano povprečno stanje ionosfere za določeno časovno obdobje (mesec, letni čas, leto ali več), medtem ko so kratkoročne napovedi izdelane za dan, pet dni in označujejo možna odstopanja ionosfere od njenih povprečno stanje. Napovedi so izdelane v obliki grafov kot rezultat obdelave sistematičnih opazovanj ionosfere, sončne aktivnosti in stanja zemeljskega magnetizma.
ultrakratki valovi(VHF) se ne odbijajo od ionosfere, temveč jo prosto prehajajo, torej ti valovi nimajo prostorskega ionosferskega valovanja. Površinski ultrakratki val, na katerem je možna radijska komunikacija, ima dve pomembni pomanjkljivosti: prvič, površinski val ne obkroži zemeljske površine in velikih ovir, in drugič, močno se absorbira v tleh.
Ultrakratki valovi se pogosto uporabljajo tam, kjer je potreben majhen polmer radijske postaje (komunikacija je običajno omejena na vidno polje). V tem primeru komunikacijo izvaja prostorsko troposfersko valovanje. Običajno je sestavljen iz dveh komponent: direktnega žarka in žarka, ki se odbija od Zemlje (slika 2.9).
riž. 2.9 Direktni in odbiti žarki nebesnega vala.
Če sta anteni dovolj blizu, navadno oba žarka dosežeta sprejemno anteno, vendar je njuna jakost različna. Od Zemlje odbiti žarek je šibkejši zaradi izgub, ki nastanejo pri odboju od Zemlje. Direktni žarek ima skoraj enako slabljenje kot val v prostem prostoru. V sprejemni anteni je skupni signal enak vektorski vsoti teh dveh komponent.
Sprejemna in oddajna antena sta običajno enako visoki, tako da se dolžina poti odbitega žarka nekoliko razlikuje od direktnega. Odbiti val ima fazni zamik za 180°. Torej, če zanemarimo izgube v Zemlji med odbojem, če sta dva žarka prepotovala enako razdaljo, je njuna vektorska vsota enaka nič, posledično v sprejemni anteni ne bo signala.
V resnici odbiti žarek prepotuje nekoliko daljšo razdaljo, zato bo fazna razlika v sprejemni anteni približno 180°. Fazna razlika je opredeljena z razliko poti v smislu valovne dolžine, ne v linearnih enotah. Z drugimi besedami, skupni signal, prejet pod temi pogoji, je odvisen predvsem od uporabljene frekvence. Na primer, če je delovna valovna dolžina 360 m in je razlika poti 2 m, se bo fazni zamik od 180° razlikoval le za 2°. Posledica tega je skoraj popolna odsotnost signala v sprejemni anteni. Če je valovna dolžina 4 m, bo ista razlika v poti 2 m povzročila fazno razliko 180°, kar bo v celoti kompenziralo fazni premik za 180° pri odboju. V tem primeru se napetost signala podvoji.
Iz tega sledi, da pri nizkih frekvencah uporaba nebesnih valov ni zanimiva za komunikacijo. Samo pri visokih frekvencah, kjer je razlika v poti sorazmerna z uporabljeno valovno dolžino, se nebesni val široko uporablja.
Domet VHF oddajnikov se bistveno poveča, ko so letala povezana v zraku in z Zemljo.
Za prednosti VHF mora vključevati možnost uporabe majhnih anten. Poleg tega lahko v VHF pasu hkrati deluje veliko število radijskih postaj brez medsebojnih motenj. V območju valovnih dolžin od 10 do 1 m je mogoče postaviti več sočasno delujočih postaj kot v območju kratkih, srednjih in dolgih valov skupaj.
Relejne linije, ki delujejo na VHF, so postale zelo razširjene. Med dvema komunikacijskima točkama, ki se nahajata na veliki razdalji, je nameščenih več VHF oddajnikov, ki se nahajajo v vidnem polju drug od drugega. Vmesne postaje delujejo samodejno. Organizacija relejnih linij omogoča povečanje obsega komunikacije na VHF in večkanalno komunikacijo (hkratno izvajanje več telefonskih in telegrafskih prenosov).
Zdaj se veliko pozornosti namenja uporabi VHF pasu za radijske komunikacije na dolge razdalje.
Največjo uporabo so dobile komunikacijske linije, ki delujejo v območju 20-80 MHz in uporabljajo pojave ionosferskega sipanja. Veljalo je, da je radijska komunikacija skozi ionosfero mogoča le pri frekvencah pod 30 MHz (valovna dolžina več kot 10 m), in ker je to območje polno obremenjeno in nadaljnje povečanje števila kanalov v njem ni mogoče, je zanimanje za razpršene širjenje radijskih valov je povsem razumljivo.
Ta pojav je sestavljen iz dejstva, da se del energije mikrovalovnega sevanja razprši na nehomogenostih, ki so prisotne v ionosferi. Te nehomogenosti ustvarjajo zračni tokovi plasti z različnimi temperaturami in vlažnostjo, tavajoči nabiti delci, produkti ionizacije repov meteoritov in drugi še premalo raziskani viri. Ker je troposfera vedno nehomogena, razpršeni lom radijskih valov obstaja sistematično.
Razpršeno širjenje radijskih valov je kot sipanje žarometa v temni noči. Močnejši kot je svetlobni žarek, bolj razpršeno svetlobo daje.
Pri študiju dolg doseg ultrakratkih valov je bil opažen pojav ostrega kratkotrajnega povečanja slišnosti signalov. Takšni izbruhi naključne narave trajajo od nekaj milisekund do nekaj sekund. Vendar jih v praksi opazimo podnevi s prekinitvami, ki redko presegajo nekaj sekund. Pojav trenutkov povečane slišnosti je predvsem posledica odboja radijskih valov od ioniziranih plasti meteoritov, ki zgorijo na nadmorski višini približno 100 km. Premer teh meteoritov ne presega nekaj milimetrov, njihove sledi pa segajo več kilometrov.
Od sledi meteorjev radijski valovi s frekvenco 50-30 MHz (6-10 m) se dobro odbijajo.
Vsak dan več milijard teh meteoritov prileti v zemeljsko atmosfero in za seboj pusti ionizirane sledi z visoko gostoto zračne ionizacije. To omogoča zanesljivo delovanje radijskih zvez velikega dosega pri uporabi oddajnikov relativno majhne moči. Sestavni del postaj na takšnih progah je pomožna oprema za direktno tiskanje, opremljena s spominskim elementom.
Ker vsaka sled meteorja traja le nekaj sekund, je prenos v kratkih zaporedjih samodejen.
Trenutno se široko uporabljajo komunikacije in televizijski prenosi preko umetnih zemeljskih satelitov.
Tako lahko glede na mehanizem širjenja radijskih valov radijske komunikacijske linije razvrstimo v linije z uporabo:
proces širjenja radijskih valov po zemeljskem površju z ovojom okoli njega (t.i. zemeljski ali površinski valovi).
proces širjenja radijskih valov znotraj vidnega polja ( naravnost valovi);
odboj radijskih valov od ionosfere ( ionosferski valovi);
proces širjenja radijskih valov v troposferi ( troposferski valovi);
odboj radijskih valov od sledi meteorjev;
odboj ali retransmisija z umetnih zemeljskih satelitov;
odboj od umetno ustvarjenih plinsko-plazemskih tvorb ali umetno ustvarjenih prevodnih površin.
2.4 Značilnosti širjenja radijskih valov različnih razponov
Na pogoje za širjenje radijskih valov v prostoru med oddajnikom in radijskim sprejemnikom dopisnikov vplivajo končna prevodnost zemeljskega površja in lastnosti medija nad zemljo. Ta vpliv je različen za različna območja valovanja (frekvence).
Miriameter in kilometer valovi (DODAJ in DV) se lahko širijo tako po zemlji kot po ionosferi. Prisotnost zemeljskega valovanja, ki se širi na stotine in celo tisoče kilometrov, je razloženo z dejstvom, da se poljska jakost teh valov z razdaljo precej počasi zmanjšuje, saj je absorpcija njihove energije s strani zemlje ali vodne površine majhna. Čim daljši je val in čim boljša je prevodnost tal, tem večja je radijska komunikacija na daljših razdaljah.
Peščena suha tla in kamnine v veliki meri absorbirajo elektromagnetno energijo. Pri širjenju zaradi pojava uklona obidejo konveksno zemeljsko površino, ovire, ki jih srečajo na poti: gozdove, gore, hribe itd. Na razdalji 300-400 km od oddajnika se pojavi ionosferski val, ki se odbija od spodnjega dela ionosfere (od plasti D ali E). Čez dan postane zaradi prisotnosti plasti D absorpcija elektromagnetne energije pomembnejša. Ponoči, ko ta plast izgine, se komunikacijski doseg poveča. Tako je prehod dolgih valov ponoči na splošno boljši kot podnevi. Globalne komunikacije na VLF in LW se izvajajo z valovi, ki se širijo v sferičnem valovodu, ki ga tvorita ionosfera in zemeljsko površje.
Prednost območja SV-, DV-:
radijski valovi razponov VLF in LW imajo lastnost prodiranja v vodni stolpec in se širijo v nekaterih strukturah tal;
zaradi valov, ki se širijo v sferičnem valovodu Zemlje, je komunikacija zagotovljena na tisoče kilometrov;
komunikacijski doseg je malo odvisen od ionosferskih motenj;
dobre difrakcijske lastnosti radijskih valov v teh območjih omogočajo komunikacijo na stotine in celo tisoče kilometrov z zemeljskim valom;
konstantnost parametrov radijske povezave zagotavlja stabilen nivo signala na sprejemni točki.
NapakeSDV-,DV,- območje:
učinkovito sevanje valov v obravnavanih odsekih območja je mogoče doseči le s pomočjo zelo obsežnih antenskih naprav, katerih dimenzije so sorazmerne z valovno dolžino. Izgradnja in obnova antenskih naprav te velikosti v omejenem času (za vojaške namene) je težavna;
ker so dimenzije dejansko izvedenih anten manjše od valovne dolžine, se kompenzacija njihove zmanjšane učinkovitosti doseže s povečanjem moči oddajnika na stotine in več kW;
ustvarjanje resonančnih sistemov v tem območju in pri pomembnih močeh določa veliko velikost izhodnih stopenj: oddajniki, zapletenost hitre nastavitve na drugo frekvenco;
za napajanje radijskih postaj v pasovih VLF in LW) so potrebne velike elektrarne;
pomembna pomanjkljivost pasov VLF in LW je njihova majhna frekvenčna kapacitivnost;
dovolj visoka stopnja industrijskih in atmosferskih motenj;
odvisnost nivoja signala na sprejemni točki od časa dneva.
Obseg praktične uporabe radijskih valov v VLF-, LW-območju:
komunikacija s podvodnimi predmeti;
komunikacija po globalnih magistralnih vodih in podzemna komunikacija;
radijski svetilniki, pa tudi komunikacije v letalstvu dolgega dosega in mornarici.
Hektometrski valovi(SV) se lahko širijo s površinskimi in prostorskimi valovi. Poleg tega je njihov komunikacijski doseg s površinskim valom manjši (ne presega 1000-1500 km), saj njihovo energijo tla absorbirajo več kot energija dolgih valov. Valovi, ki dosežejo ionosfero, se v plasti intenzivno absorbirajo D, ko obstaja, a je dobro oblečen s plastjo E.
Za srednje valove je komunikacijski doseg zelo odvisen odčas dneva. Popoldne srednje močni valovi absorbira v spodnjih plasteh ionosfere, da nebesnega vala praktično ni. nočna plast D in spodnji sloj E izginejo, zato se absorpcija srednjih valov zmanjša; in vesoljski valovi začnejo igrati glavno vlogo. Tako je pomembna značilnost srednjih valov ta, da čez dan komunikacijo na njih vzdržuje površinski val, ponoči pa površinski in prostorski valovi hkrati.
Prednosti MW pasu:
ponoči poleti in večji del dneva pozimi komunikacijski doseg, ki ga zagotavlja ionosfersko valovanje, doseže na tisoče kilometrov;
srednjevalovne antenske naprave so precej učinkovite in imajo sprejemljive dimenzije tudi za mobilne radijske komunikacije;
frekvenčna zmogljivost tega območja je večja od frekvenčne zmogljivosti območij VLF in LW;
dobre uklonske lastnosti radijskih valov v tem območju;
moč oddajnika je manjša od pasov VLF in LW;
majhna odvisnost od ionosferskih motenj in magnetnih neviht.
Slabosti območja MW:
delovna obremenitev pasu MW z močnimi oddajnimi radijskimi postajami povzroča težave pri široki uporabi;
omejena frekvenčna zmogljivost območja otežuje manevriranje s frekvencami;
komunikacijski doseg na SV podnevi poleti je vedno omejen, saj je mogoč samo s prizemnim valom;
dovolj velika moč oddajnika;
težko je uporabljati visoko učinkovite antenske naprave, kompleksnost gradnje in obnove v kratkem času;
dovolj visoko stopnjo medsebojnih in atmosferskih motenj.
Obseg praktične uporabe radijskih valov v MW območju; srednjevalovne radijske postaje se najpogosteje uporabljajo v arktičnih regijah, kot rezerva v primerih izgube razširjenih kratkovalovnih radijskih komunikacij zaradi ionosferskih in magnetnih motenj, pa tudi v letalstvu dolgega dosega in mornarici.
Dekametrski valovi (KB) zasedajo poseben položaj. Širijo se lahko kot zemeljski valovi in kot ionosferski valovi. Talni valovi pri relativno nizki oddajni moči, značilni za mobilne radijske postaje, se širijo na razdalje, ki ne presegajo več deset kilometrov, saj doživljajo v tleh znatno absorpcijo, ki se povečuje z naraščajočo frekvenco.
Ionosferski valovi se lahko zaradi enkratnih ali večkratnih odbojev od ionosfere pod ugodnimi pogoji širijo na velike razdalje. Njihova glavna lastnost je, da jih nižji predeli ionosfere (plasti D in E) in se dobro odbijajo od njegovih zgornjih predelov (predvsem od plasti F2 . ki se nahaja na nadmorski višini 300-500 km nad tlemi). To omogoča uporabo radijskih postaj relativno majhne moči za neposredno komunikacijo na neomejeno širokem razponu razdalj.
Zaradi bledenja signala pride do znatnega zmanjšanja kakovosti HF radijske komunikacije z nebesnimi valovi. Narava bledenja se v glavnem zmanjša na interferenco več žarkov, ki prihajajo na mesto sprejema, katerih faza se nenehno spreminja zaradi sprememb v stanju ionosfere.
Razlogi za prihod več žarkov na mesto sprejema signalov so lahko:
obsevanje ionosfere pod koti, pod katerimi prehajajo žarki
različno število odbojev od ionosfere in Zemlje, konvergirajo na točki sprejema;
pojav dvojnega loma pod vplivom zemeljskega magnetnega polja, zaradi katerega dva žarka (navadni in izredni), ki se odbijata od različnih plasti ionosfere, dosežeta isto sprejemno točko;
nehomogenost ionosfere, ki vodi do difuznega odboja valov iz njenih različnih območij, tj. na odboj žarkov niza elementarnih žarkov.
Do bledenja lahko pride tudi zaradi polarizacijskih nihanj valov ob odboju od ionosfere, kar povzroči spremembo razmerja med vertikalno in horizontalno komponento električnega polja na sprejemni lokaciji. Polarizacijsko bledenje opazimo veliko manj pogosto kot interferenčno bledenje in predstavlja 10-15% njihovega skupnega števila.
Raven signala na sprejemnih točkah zaradi bledenja se lahko spreminja v širokem razponu - deset in celo stokrat. Časovni interval med globokim bledenjem je naključna spremenljivka in se lahko spreminja od desetink sekunde do nekaj sekund, včasih pa tudi več, prehod z visoke na nizko raven pa je lahko gladek in zelo nenaden. Hitre spremembe ravni se pogosto prekrivajo s počasnimi.
Pogoji za prehod kratkih valov skozi ionosfero se iz leta v leto spreminjajo, kar je povezano s skoraj periodično spremembo sončne aktivnosti, t.j. s spremembo števila in površine sončnih peg (Wolfovo število), ki so viri sevanja, ki ionizira ozračje. Ponovitvena doba največje sončne aktivnosti je 11,3±4 leta. V letih največje sončne aktivnosti se maksimalne uporabne frekvence (MUF) povečujejo, območja delovnih frekvenčnih območij pa se širijo.
Na sl. 2.10 prikazuje tipično družino dnevnih urnikov MUF in najmanj uporabnih frekvenc (LPF) za sevano moč 1 kW.
riž. 2.10 Potek krivulj MUF in LF.
Ta družina dnevnih grafikonov ustreza določenim geografskim območjem. Iz tega sledi, da je uporabno frekvenčno območje za komunikacijo na določeni razdalji lahko zelo majhno. Hkrati je treba upoštevati, da imajo ionosferske napovedi lahko napako, zato pri izbiri najvišjih komunikacijskih frekvenc poskušajo ne preseči črte tako imenovane optimalne delovne frekvence (ORF), ki poteka pod linija MUF za 20-30 %. Seveda se s tem dodatno zmanjša delovna širina polja. Zmanjšanje ravni signala pri približevanju najvišji veljavni frekvenci je razloženo s spremenljivostjo parametrov ionosfere.
Zaradi dejstva, da se stanje ionosfere spreminja, komunikacija z ionosferskim valom zahteva pravilno izbiro frekvenc čez dan:
DAN uporabite frekvence 12-30 MHz,
ZJUTRAJ in ZVEČER 8-12 MHz, PONOČI 3-8 MHz.
Iz grafov je tudi razvidno, da se z zmanjševanjem dolžine radijske povezave zmanjšuje obseg veljavnih frekvenc (za razdalje do 500 km ponoči lahko le 1-2 MHz).
Pogoji za radijsko zvezo za dolge proge so ugodnejši kot za kratke, saj jih je manj, obseg primernih frekvenc zanje pa je veliko širši.
Ionosferske in magnetne nevihte lahko pomembno vplivajo na stanje HF radijskih komunikacij (predvsem v polarnih regijah); motnje ionosfere in zemeljskega magnetnega polja pod vplivom tokov nabitih delcev, ki jih izbruha Sonce. Ti tokovi pogosto uničijo glavno odbojno ionosfersko plast F2 v območju visokih geomagnetnih širin. Magnetne nevihte se lahko manifestirajo ne samo v polarnih regijah, ampak po vsem svetu. Ionosferske motnje imajo periodičnost in so povezane s časom vrtenja Sonca okoli svoje osi, ki je enak 27 dni.
Za kratke valove je značilna prisotnost tihih con (mrtvih con). Območje tišine (slika 2.8) nastane med radijsko komunikacijo na velikih razdaljah na območjih, ki jih površinsko valovanje zaradi slabljenja ne doseže, nebesno valovanje pa se odbija od ionosfere na večjo razdaljo. To se zgodi pri uporabi visoko usmerjenih anten, ko oddajajo pod majhnimi koti glede na obzorje.
Prednosti HF pasu:
ionosferski valovi se lahko širijo na velike razdalje zaradi enkratnih ali večkratnih odbojev od ionosfere pod ugodnimi pogoji. Spodnja področja ionosfere (plasti D in E) jih šibko absorbirajo, zgornja območja (predvsem plast F2) pa jih dobro odbijajo;
zmožnost uporabe radijskih postaj relativno majhne moči za neposredno komunikacijo na neomejeno širokem razponu razdalj;
frekvenčna zmogljivost pasu HF je veliko večja od pasov VLF, LW, MW, kar omogoča hkratno delovanje velikega števila radijskih postaj;
antenske naprave, ki se uporabljajo v območju dekametrskih valov, imajo sprejemljive (tudi za namestitev na premikajoče se predmete) dimenzije in imajo lahko izrazite smerne lastnosti. Imajo kratek čas uvajanja, so poceni in jih je enostavno popraviti, če so poškodovani.
Slabosti HF pasu:
radijska komunikacija z ionosferskimi valovi se lahko izvaja, če so uporabljene frekvence pod najvišjimi vrednostmi (MUF), določenimi za vsako dolžino radijske povezave s stopnjo ionizacije odbojnih plasti;
komunikacija je mogoča le, če moč oddajnikov in ojačanja uporabljenih anten z absorpcijo energije v ionosferi zagotavljajo potrebno jakost elektromagnetnega polja na sprejemni točki. Ta pogoj omejuje spodnjo mejo uporabnih frekvenc (LLF);
nezadostna frekvenčna zmogljivost za uporabo širokopasovnih načinov delovanja in frekvenčnega manevriranja;
ogromno število sočasno delujočih radijskih postaj z velikim komunikacijskim dosegom ustvarja visoko stopnjo medsebojnega motenja;
velik komunikacijski doseg sovražniku olajša uporabo namernega motenja;
prisotnost območij tišine pri zagotavljanju komunikacije na dolge razdalje;
znatno zmanjšanje kakovosti HF radijske komunikacije z ionosferskimi valovi zaradi bledenja signala, ki nastane zaradi variabilnosti strukture odbojnih plasti ionosfere, njenih stalnih motenj in večpotnega širjenja valov.
Področje praktične uporabe HF radijskih valov
KB radijske postaje najdejo najširšo praktično uporabo za komunikacijo z oddaljenimi naročniki.
Meter valovi (VHF) vključujejo številne odseke frekvenčnega območja z veliko frekvenčno kapacitivnostjo.
Seveda se ti odseki med seboj v veliki meri razlikujejo po lastnostih širjenja radijskih valov. VHF energijo Zemlja močno absorbira (v splošnem sorazmerno s kvadratom frekvence), zato zemeljsko valovanje precej hitro ugasne. Za VHF je reden odboj od ionosfere neobičajen, zato se komunikacija izračuna z uporabo talnega vala in vala, ki se širi v prostem prostoru. Nebeški valovi, krajši od 6-7 m (43-50 MHz), običajno prehajajo skozi ionosfero, ne da bi se od nje odbili.
Širjenje VHF poteka premočrtno, največji doseg je omejen z vidnim poljem. Lahko se določi s formulo:
kjer je Dmax doseg vidnega polja, km;
h1 je višina oddajne antene, m;
h2 je višina sprejemne antene, m.
Vendar pa zaradi refrakcije (lomljenja) pride do ukrivljenosti širjenja radijskih valov. V tem primeru bo v formuli razpona koeficient natančnejši ne 3,57, ampak 4,1-4,5. Iz te formule sledi, da je za povečanje dosega komunikacije na VHF potrebno dvigniti oddajno in sprejemno anteno višje.
Povečanje moči oddajnika ne vodi do sorazmernega povečanja komunikacijskega dosega, zato se v tem območju uporabljajo radijske postaje z nizko močjo. Pri komuniciranju zaradi troposferskega in ionosferskega sipanja so potrebni oddajniki znatne moči.
Na prvi pogled bi moral biti doseg komunikacije z zemeljskimi valovi na VHF zelo majhen. Vendar je treba upoštevati, da se z naraščajočo frekvenco povečuje učinkovitost antenskih naprav, zaradi česar se kompenzirajo izgube energije v Zemlji.
Doseg komunikacije s zemeljskimi valovi je odvisen od valovne dolžine. Največji razpon je dosežen na metrskih valovih, še posebej na valovih, ki mejijo na HF pas.
Metrski valovi imajo lastnost uklon, tj. sposobnost upogibanja okoli neravnega terena. Povečanje dosega komunikacije na metrskih valovih je omogočeno s pojavom troposfere lomnost, tj. pojav refrakcije v troposferi, ki zagotavlja komunikacijo na zaprtih poteh.
V območju metrskih valov pogosto opazimo širjenje radijskih valov na velike razdalje, kar je posledica več razlogov. Do širjenja na daljavo lahko pride, ko nastanejo občasni ionizirani oblaki ( sporadična plast fs). Znano je, da se ta plast lahko pojavi kadar koli v letu in dnevu, za našo poloblo pa se pojavlja predvsem pozno spomladi in zgodaj poleti podnevi. Značilnost teh oblakov je zelo visoka koncentracija ionov, včasih zadostna za odboj valov celotnega VHF območja. V tem primeru je območje lokacije virov sevanja glede na sprejemne točke najpogosteje na razdalji 2000-2500 km, včasih pa tudi bližje. Intenzivnost signalov, ki se odbijajo od sloja Fs, je lahko zelo visoka tudi pri zelo nizkih močeh vira.
Drug razlog za širjenje metrskih valov na dolge razdalje v letih največje sončne aktivnosti je lahko običajna plast F2. Ta porazdelitev se kaže v zimskih mesecih v osvetljenem času odbojnih točk, tj. ko je absorpcija valovne energije v nižjih predelih ionosfere minimalna. Obseg komunikacije v tem primeru lahko doseže globalne ravni.
Širjenje metrskih valov na velike razdalje se lahko pojavi tudi med višinskimi jedrskimi eksplozijami. V tem primeru se poleg spodnjega območja povečane ionizacije pojavi še zgornje območje (na nivoju Fs plasti). Metrski valovi prodrejo skozi spodnji del, se nekoliko absorbirajo, odbijejo od zgornjega dela in se vrnejo na Zemljo. Prevožene razdalje so v tem primeru v razponu od 100 do 2500 km. Odbita poljska jakost nyh valovanje je odvisno od frekvence: najnižje frekvence so podvržene največji absorpciji v spodnjem ionizacijskem območju, najvišje pa se nepopolno odbijejo od zgornjega območja.
Vmesnik med KB in metrskimi valovi je na valovni dolžini 10 m (30 MHz). Lastnosti širjenja radijskih valov se ne morejo nenadoma spremeniti, tj. mora obstajati regija ali območje frekvenc, ki je prehodno. Tak odsek frekvenčnega območja je odsek 20-30 MHz. V letih minimalne sončne aktivnosti (pa tudi ponoči, ne glede na fazo aktivnosti) so te frekvence praktično neprimerne za komunikacijo na dolge razdalje z ionosferskimi valovi, njihova uporaba pa je izjemno omejena. Hkrati se pod temi pogoji lastnosti širjenja valov v tem odseku zelo približajo lastnostim metrskih valov. Ni naključje, da se ta del frekvenc uporablja v interesu radijskih komunikacij, ki jih vodijo metrski valovi.
Prednosti VHF pasu:
majhne dimenzije antene omogočajo realizacijo izrazitega usmerjenega sevanja, ki kompenzira hitro slabljenje energije radijskih valov;
pogoji širjenja so večinoma neodvisni od časa dneva in leta ter sončne aktivnosti;
omejen komunikacijski doseg vam omogoča večkratno uporabo istih frekvenc na površinah, katerih razdalja med mejami ni manjša od vsote obsega radijskih postaj z enakimi frekvencami;
nižja stopnja nenamernih (naravnega in umetnega izvora) in namernih motenj zaradi ozko usmerjenih anten in og omejen doseg komunikacije;
velika frekvenčna zmogljivost, ki omogoča uporabo širokopasovnih signalov, odpornih na motnje, za veliko število sočasno delujočih postaj;
pri uporabi širokopasovnih signalov za radijske komunikacije zadostuje frekvenčna nestabilnost radijske povezave δf=10 -4;
sposobnost VHF, da prodre v ionosfero brez znatnih izgub energije, je omogočila izvajanje vesoljskih radijskih komunikacij na razdaljah, merjenih v milijonih kilometrov;
visokokakovosten radijski kanal;
zaradi zelo majhnih izgub energije v prostem prostoru lahko komunikacijski doseg med letali, opremljenimi z radijskimi postajami relativno nizke moči, doseže več sto kilometrov;
lastnost širjenja metrskih valov na velike razdalje;
nizka moč oddajnika in majhna odvisnost komunikacijskega dosega od moči.
Slabosti VHF pasu:
kratek doseg radijske komunikacije na zemeljskih valovih, praktično omejen z vidnim poljem;
pri uporabi ozko usmerjenih anten je težko delati z več dopisniki;
pri uporabi anten s krožno usmerjenostjo se zmanjša komunikacijski doseg, zaščita inteligence in odpornost proti hrupu.
Področje praktične uporabe VHF radijskih valov Domet istočasno uporablja veliko število radijskih postaj, še posebej, ker je obseg medsebojnih motenj med njimi praviloma majhen. Lastnosti širjenja talnih valov zagotavljajo široko uporabo ultrakratkih valov za komunikacijo v taktični nadzorni povezavi, vključno med različnimi vrstami premikajočih se objektov. Komunikacija na medplanetarnih razdaljah.
Glede na prednosti in slabosti posameznega območja lahko sklepamo, da sta najbolj sprejemljiva območja za radijske postaje nizke moči dekametrski (KB) in metrski (VHF) valovi.
2.5 Vpliv jedrskih eksplozij na stanje radijskih zvez
Med jedrskimi eksplozijami trenutno gama sevanje v interakciji z atomi okolja ustvari tok hitrih elektronov, ki letijo z veliko hitrostjo predvsem v radialni smeri od središča eksplozije, in pozitivnih ionov, ki ostanejo praktično na mestu. Tako v vesolju nekaj časa pride do ločevanja pozitivnih in negativnih nabojev, kar povzroči nastanek električnih in magnetnih polj. Ta polja se zaradi kratkega trajanja imenujejo elektromagnetni impulz (AMY) jedrske eksplozije. Trajanje njegovega obstoja je približno 150-200 milisekund.
elektromagnetni impulz (peti škodljivi dejavnik jedrske eksplozije) v odsotnosti posebnih zaščitnih ukrepov lahko poškoduje krmilno in komunikacijsko opremo, moti delovanje električnih naprav, priključenih na razširjene zunanje vode.
Sistemi komunikacije, signalizacije in nadzora so najbolj dovzetni za vpliv elektromagnetnega impulza jedrske eksplozije. Zaradi izpostavljenosti EMP zemeljske ali zračne jedrske eksplozije se v antenah radijskih postaj inducira električna napetost, pod vplivom katere pride do razpada izolacije, transformatorjev, taljenja žic, odpovedi odvodnikov, poškodb elektronskih cevi. , polprevodniške naprave, kondenzatorji, upori itd.
Ugotovljeno je bilo, da ko je oprema izpostavljena EMR, se največja napetost inducira na vhodnih tokokrogih.Glede tranzistorjev opazimo naslednjo odvisnost: večja kot je ojačitev tranzistorja, manjša je njegova dielektrična trdnost.
Radijska oprema ima dielektrično trdnost enosmerne napetosti največ 2-4 kV. Glede na to, da je elektromagnetni impulz jedrske eksplozije kratkotrajen, se končna električna trdnost opreme brez zaščitne opreme lahko šteje za višjo - približno 8-10 kV.
V tabeli. 1 prikazuje približne razdalje (v km), na katerih se v času jedrske eksplozije v antenah radijskih postaj inducirajo napetosti nad 10 in 50 kV, nevarne za opremo.
Tabela 1
Na daljših razdaljah je učinek EMP podoben učinku ne zelo oddaljenega udara strele in ne povzroča poškodb opreme.
Vpliv elektromagnetnega impulza na radijsko opremo se močno zmanjša, če se uporabijo posebni zaščitni ukrepi.
Najučinkovitejši način zaščite radioelektronske opreme, ki se nahaja v stavbah, je uporaba električno prevodnih (kovinskih) zaslonov, ki znatno zmanjšajo velikost inducirane napetosti na notranjih žicah in kablih. Uporablja se zaščitna oprema, ki je podobna opremi za zaščito pred strelo: odvodniki z odtočnimi in blokirnimi tuljavami, taljivi vložki, naprave za ločevanje, tokokrogi za avtomatski odklop opreme iz voda.
Dober zaščitni ukrep je tudi zanesljiva ozemljitev opreme na eni točki. Učinkovita je tudi izvedba radiotehničnih naprav v blokih, z zaščito vsakega bloka in celotne naprave kot celote. To omogoča hitro zamenjavo okvarjene enote z rezervno enoto (v najbolj kritični opremi so enote podvojene s samodejnim preklopom v primeru poškodbe glavnih). V nekaterih primerih se za zaščito pred EMP lahko uporabijo elementi in stabilizatorji selena.
Poleg tega se lahko uporablja zaščitne vstopne naprave, ki so različni releji ali elektronske naprave, ki se odzivajo na presežno napetost v vezju. Ko pride napetostni impulz, induciran v linijah z elektromagnetnim impulzom, izklopijo napajanje iz naprave ali preprosto prekinejo delovna vezja.
Pri izbiri zaščitnih naprav je treba upoštevati, da je za vpliv EMP značilen množični značaj, to je hkratno delovanje zaščitne opreme v vseh tokokrogih, ki so na območju eksplozije. Zato bi morale uporabljene zaščitne sheme samodejno obnoviti tokokroge takoj po prekinitvi elektromagnetnega impulza.
Odpornost opreme na učinke napetosti, ki nastane v vodi med jedrsko eksplozijo, je v veliki meri odvisna od pravilnega delovanja linije in skrbnega spremljanja uporabnosti zaščitne opreme.
Za pomembne operativne zahteve vključuje periodično in pravočasno preverjanje električne trdnosti izolacije linijskih in vhodnih tokokrogov opreme, pravočasno odkrivanje in odpravo nastalih ozemljitvenih žic, spremljanje uporabnosti odvodnikov, varovalk itd.
jedrska eksplozija na visoki nadmorski višini spremlja nastanek območij povečane ionizacije. Pri eksplozijah na višinah do približno 20 km je ionizirano območje omejeno najprej z velikostjo svetlečega območja, nato pa z eksplozijskim oblakom. Na višinah 20–60 km je velikost ioniziranega območja nekoliko večja od velikosti eksplozijskega oblaka, zlasti na zgornji meji tega višinskega območja.
Med jedrskimi eksplozijami na velikih višinah se v ozračju pojavita dve območji povečane ionizacije.
Prvo področje nastane na območju eksplozije zaradi ionizirane snovi streliva in ionizacije zraka z udarnim valom. Dimenzije tega območja v vodoravni smeri dosegajo desetine in stotine metrov.
Drugo področje povečana ionizacija se pojavi pod središčem eksplozije v plasteh atmosfere na nadmorski višini 60-90 km kot posledica absorpcije prodornega sevanja v zraku. Razdalje, na katerih prodorna sevanja povzročajo ionizacijo v vodoravni smeri, so stotine in celo tisoče kilometrov.
Območja povečane ionizacije, ki nastanejo med višinsko jedrsko eksplozijo, absorbirajo radijske valove in spremenijo smer njihovega širjenja, kar vodi do znatnih motenj v delovanju radijskih naprav. V tem primeru pride do motenj v radijski komunikaciji, v nekaterih primerih pa je popolnoma pokvarjena.
Narava škodljivega učinka elektromagnetnega impulza višinskih jedrskih eksplozij je v bistvu podobna naravi škodljivega učinka EMP zemeljskih in zračnih eksplozij.
Ukrepi zaščite pred škodljivim delovanjem elektromagnetnega impulza višinskih eksplozij so enaki kot pred EMP zemeljskih in zračnih eksplozij.
2.5.1 Zaščita pred ionizirajočim in elektromagnetnim sevanjem
jedrske eksplozije na visoki nadmorski višini (HNA)
Do motenj RS lahko pride zaradi eksplozij jedrskega orožja, ki jih spremlja oddajanje močnih elektromagnetnih impulzov kratkega trajanja (10-8 s) in sprememba električnih lastnosti atmosfere.
EMP (radijski blisk) se pojavi:
najprej , kot posledica asimetričnega širjenja oblaka električnih razelektritev, ki nastanejo pod vplivom ionizirajočega sevanja iz eksplozij;
Drugič , zaradi hitrega širjenja visoko prevodnega plina (plazme), ki nastane iz produktov eksplozije.
Po eksploziji se v vesolju ustvari ognjena krogla, ki je visoko ionizirana krogla. Ta krogla se hitro širi (s hitrostjo približno 100-120 km / h) nad zemeljsko površino in se spremeni v kroglo lažne konfiguracije, debelina krogle doseže 16-20 km. Koncentracija elektronov v krogli lahko doseže do 105-106 elektr./cm3, kar je 100-1000-krat več kot običajna koncentracija elektronov v ionosferski plasti. D.
Višinske jedrske eksplozije (HNA) na višinah, večjih od 30 km, bistveno vplivajo na električne lastnosti atmosfere v velikih prostorih za dolgo časa in imajo zato močan vpliv na širjenje radijskih valov.
Poleg tega močan elektromagnetni impulz, ki se pojavi med HNW, povzroči visoke napetosti (do 10.000–50.000 V) in tokove do nekaj tisoč amperov v žičnih komunikacijskih linijah.
Moč EMP je tako velika, da njegova energija zadostuje, da prodre v zemljo do 30 m in inducira EMP v radiju do 50-200 km od epicentra eksplozije.
Vendar pa je glavni učinek HNS ta, da ogromna količina energije, ki se sprosti med eksplozijo, kot tudi intenzivni tokovi nevtronov, rentgenskih žarkov, ultravijoličnih in gama žarkov povzročijo nastanek visoko ioniziranih območij v atmosferi in povečanje v elektronsko gostoto v ionosferi, kar posledično vodi do absorpcije radijskih valov in motenj stabilnosti delovanja krmilnega sistema.
2.5.2 Značilni znaki VJV
VYaV na določenem območju ali v njegovi bližini spremlja takojšnja prekinitev sprejema oddaljenih postaj v HF pasu.
V trenutku prekinitve komunikacije se v telefonih zazna kratek klik, nato pa se sliši le še lasten šum sprejemnika in šibko prasketanje, kot so grmenje.
Nekaj minut po prekinitvi komunikacije na HF se motnje oddaljenih postaj v metrskem območju valov na VHF močno povečajo.
Domet radarja in natančnost merjenja koordinat se zmanjšata.
Osnova zaščite elektronskih sredstev je pravilna uporaba frekvenčnega območja in vseh dejavnikov, ki nastanejo kot posledica uporabe HNV.
2.5.3 Osnovne definicije:
odbit radijski val (odbit val ) je radijski val, ki se širi po odboju od meje med dvema medijema ali od nehomogenosti medija;
neposredni radijski val (neposredni val ) je radijski val, ki se širi neposredno od virov do mesta sprejema;
zemeljski radijski val (talni val ) - radijski val, ki se širi blizu zemeljske površine in vključuje direktno valovanje, val, ki se odbija od zemlje, in površinski val;
skywave (nebesni val ) je radijski val, ki se širi kot posledica odboja od ionosfere ali sipanja na njej;
absorpcija radijskih valov (absorpcija ) je zmanjšanje energije radijskega valovanja zaradi njegove delne pretvorbe v toplotno energijo zaradi interakcije z medijem;
večpotno širjenje radijskih valov (večpotno širjenje ) - širjenje radijskih valov od oddajne do sprejemne antene po več poteh;
efektivna odbojna višina plasti (efektivna višina ) je hipotetična višina odboja radijskega valovanja od ionizirane plasti, odvisna od porazdelitve gostote elektronov po višini in dolžini radijskega valovanja, določena s časom med prenosom in sprejemom odbitega ionosferskega valovanja v navpično sondiranje ob predpostavki, da je hitrost širjenja radijskega valovanja vzdolž celotne poti enaka hitrosti svetlobe v vakuumu;
ionosferski skok (skok ) je pot širjenja radijskih valov od ene točke na zemeljski površini do druge, prehod vzdolž katere spremlja en odboj od ionosfere;
največjo uporabno frekvenco (MUHR) je najvišja frekvenca radijskega sevanja, pri kateri obstaja ionosfersko širjenje radijskih valov med danimi točkami v danem času pod določenimi pogoji, to je frekvenca, ki se še odbija od ionosfere;
optimalna delovna frekvenca (ORF) je frekvenca radijskega sevanja pod IF, pri kateri se lahko izvaja stabilna radijska komunikacija v določenih geofizikalnih pogojih. Praviloma je ORF nižja od MUF za 15 %;
vertikalno ionosfersko sondiranje (navpično sondiranje ) - sondiranje ionosfere z uporabo radijskih signalov, ki se oddajajo navpično navzgor glede na zemeljsko površino, pod pogojem, da sta točki oddajanja in sprejema združeni;
ionosferske motnje – motnje porazdelitve ionizacije v plasteh atmosfere, ki presega običajne spremembe povprečnih ionizacijskih karakteristik za dane geografske razmere;
ionosferska nevihta – dolgotrajne ionosferske motnje visoke intenzivnosti.
Pri določanju dometa radijskih sistemov je treba upoštevati absorpcijo in lom radijskih valov pri širjenju v atmosferi, njihov odboj od ionosfere ter vpliv podzemne površine na poti, po kateri radijski signal razmnožuje.
Stopnja vpliva teh dejavnikov je odvisna od frekvenčnega območja in pogojev delovanja radijskega sistema (čas dneva, geografsko območje, višina oddajne in sprejemne antene).
Vpliv absorpcije in refrakcije radijskih valov je najbolj pomemben v spodnji glavni plasti atmosfere, imenovani troposfera. Troposfera sega v višino do 8-10 km v polarnih območjih in do 16-18 km v tropskih širinah sveta. Glavnina vodne pare je koncentrirana v troposferi, nastajajo oblaki in turbulentni tokovi, kar vpliva na širjenje radijskih valov, predvsem milimetrskega, centimetrskega in decimetrskega obsega, ki se uporablja v radarju in radijski navigaciji kratkega dosega.
Odboj radijskih valov od ionosfere najbolj vpliva na dekametrske in daljše valove, ki se uporabljajo v navigacijskih in komunikacijskih sistemih.
Na kratko razmislimo o vplivu teh dejavnikov.
Vpliv slabljenja radijskih valov v troposferi je povezan z njihovo absorpcijo s strani molekul kisika in vodne pare, hidrometeorjev (dež, megla, sneg) in trdnih delcev. Absorpcija in sipanje vodita do zmanjšanja gostote pretoka moči radijskega valovanja z razdaljo po eksponentnem zakonu, to je, da je moč signala na vhodu oslabljena za faktor. Vrednost faktorja slabljenja je odvisna od koeficienta slabljenja in razdalje, ki jo radijski valovi prepotujejo D. Če je koeficient vzdolž celotne poti konstanten in upoštevamo primer aktivnega radarja s pasivnim odzivom, potem moč signala na vhodu sprejemnika zmanjša zaradi slabljenja od do
Če izrazimo v , potem . V prisotnosti hidrometeorjev in drugih delcev v atmosferi je koeficient slabljenja vsota delnih koeficientov slabljenja, ki nastanejo zaradi absorpcije kisika in vodne pare s strani molekul ter vpliva tekočih in trdnih delcev. Molekularna absorpcija v atmosferi poteka predvsem pri frekvencah blizu resonančnih. Resonančne črte vseh plinov v atmosferi, razen kisika in vodne pare, se nahajajo zunaj območja radijskih valov, zato le absorpcija kisika in vodne pare z molekulami pomembno vpliva na obseg RTS. Absorpcija molekul vodne pare je največja pri valovanju, molekule kisika pa pri valovanju.
Tako je molekularna absorpcija pomembna v centimetrskem in še posebej v milimetrskem območju, kjer omejuje domet radijskih sistemov, predvsem radarjev, ki delujejo na odbit signal.
Drug razlog za izgubo energije signala med širjenjem je sipanje radijskih valov, predvsem zaradi dežnih kapljic in megle. Večje kot je razmerje polmera kapljice , na valovno dolžino
, na valovno dolžino , večja je izguba energije zaradi njenega sipanja v vse smeri. To sipanje narašča sorazmerno s četrto potenco frekvence, saj EPR pade pri
kjer je dielektrična konstanta vode.
Če sta znana premer kapljic in njihovo število na enoto prostornine, lahko določimo koeficient slabljenja. V priročnikih je koeficient za dež običajno naveden glede na njegovo intenzivnost in valovno dolžino. V centimetrskem območju se koeficient slabljenja spreminja približno sorazmerno s kvadratom frekvence signala. Če pri frekvenci mm/h, , potem pri frekvenci pri enaki intenzivnosti dežja .
Slabljenje radijskih valov v megli je premosorazmerno s koncentracijo vode v njej. Slabljenje radijskih valov zaradi toče in snega je precej manjše kot zaradi dežja ali megle, njihov vpliv pa je običajno zanemarjen.
Največji doseg radarja, ob upoštevanju slabljenja, je mogoče najti s formulo
če je razpon v prostem prostoru znan. To enačbo je mogoče rešiti grafično v logaritemski obliki. Po preprostih transformacijah najdemo
Označimo relativno zmanjšanje obsega in enačbo zapišemo v obliki, primerni za grafično rešitev:
Slika 9.4 prikazuje odvisnost, ki omogoča, da za podana in , najdemo , in torej .
Vpliv refrakcije radijskih valov v atmosferi. Refrakcija (lom, ukrivljenost) radijskih valov je odstopanje širjenja radijskih valov od ravne črte, ko prehajajo skozi medij s spreminjajočimi se električnimi parametri. Lomne lastnosti medija so označene z lomnim količnikom, ki ga določa njegova dielektrična konstanta. Skupaj z lomnim količnikom v ozračju se spreminja z nadmorsko višino. Hitrost spreminjanja z višino je označena z gradientom, katerega vrednost in predznak označujeta lom.
Ko ni loma. Če je , potem velja, da je lom negativen in je pot radijskega valovanja upognjena stran od površine Zemlje. lom je pozitiven in tir radijskega valovanja je ukrivljen proti Zemlji, kar vodi do njegovega ovoja z radijskim valom in povečanja dometa radijskih sistemov, predvsem pa dometa radarskega zaznavanja ladij in nizkih valov. leteče letalo.
Za normalno stanje atmosfere, t.j., je refrakcija pozitivna, kar vodi do povečanja obsega radijskega horizonta. Učinek normalne refrakcije je upoštevan z navideznim povečanjem Zemljinega polmera za faktor 1, kar je enako povečanju obsega radijskega horizonta do . Polmer ukrivljenosti trajektorije radijskih valov je obratno sorazmeren z gradientom, tj. Ko je polmer ukrivljenosti trajektorije radijskega valovanja enak polmeru Zemlje in se radijski val, usmerjen vodoravno, širi vzporedno s površino Zemlje in se upogiba okoli nje. To je primer kritične refrakcije, pri katerem je možno občutno povečanje dometa radarja.
V nenormalnih razmerah v troposferi (močno povečanje tlaka, vlažnosti, temperature) je možna tudi superrefrakcija, pri kateri polmer ukrivljenosti trajektorije radijskih valov postane manjši od polmera Zemlje. Hkrati je v troposferi mogoče valovodno širjenje radijskih valov na zelo velike razdalje, če sta radarska antena in objekt na višini znotraj troposferske plasti, ki tvori valovodni kanal.
Vpliv podložne površine. Poleg atmosferske refrakcije nastane zaokroževanje zemeljske površine zaradi uklona radijskih valov. V senčnem območju (za obzorjem) pa intenzivnost radijskih valov hitro upada zaradi izgub v podzemni površini, ki se hitro povečujejo z naraščajočo frekvenco radijskega signala. Zato le pri valovih, večjih od 1000 m, lahko površinsko valovanje, to je valovanje, ki obdaja zemeljsko površje, zagotovi velik domet sistema (nekaj sto in celo tisoč kilometrov). Zato se v RNS dolgega dosega uporabljajo valovi dolgih in ultra dolgih valov.
Slabljenje površinskega valovanja je odvisno od dielektrične konstante in električne prevodnosti podležečega površja, tako za morsko površino kot za peščene ali gorske puščave; medtem ko se spreminja v območju 0,0001 - 5 S/m. Z zmanjšanjem prevodnosti tal se slabljenje močno poveča, zato je največji obseg delovanja zagotovljen s širjenjem radijskih valov nad morjem, kar je bistveno za pomorsko radijsko navigacijo.
Vpliv podložne površine ne vpliva samo na obseg RNS, temveč tudi na njihovo natančnost, saj je fazna hitrost radijskih valov odvisna tudi od parametrov podložne površine. Posebni zemljevidi popravkov fazne hitrosti so izdelani glede na parametre podležeče površine, ker pa se ti parametri spreminjajo glede na letni čas in dan ter celo vreme, je praktično nemogoče popolnoma odpraviti lokacijske napake, ki nastanejo zaradi spremembe v fazna hitrost radijskih valov.
Radijski valovi z dolžino več kot 10 m se lahko širijo tudi čez obzorje kot posledica enkratnih ali večkratnih odbojev od ionosfere.
Vpliv odboja radijskih valov od ionosfere. Radijski valovi, ki dosežejo sprejemno anteno potem, ko jih odbije ionosfera, se imenujejo prostorski.
Takšni valovi zagotavljajo zelo dolg domet, ki se uporablja v komunikacijskih sistemih v kratkovalovnem (dekametrskem) območju. Na nebesnih valovih se zaznavanje določenih ciljev (jedrskih eksplozij in izstrelitev raket) z radarjem ultra dolgega dosega izvaja tudi z uporabo signalov, ki jih odbija cilj, ki na poti širjenja doživijo enega ali več odbojev od ionosfere in Zemlje. površino. Pojav sprejemanja takšnih signalov (učinek Kabanov) je leta 1947 odkril sovjetski znanstvenik N. I. Kabanov. Radarji, ki temeljijo na tem učinku, se imenujejo ionosferski ali nadhorizontni. V takšnih postajah, ki delujejo na valovih 10-15 m, kot pri običajnih radarjih, je ciljno območje določeno s časom zakasnitve signala, smer pa je določena z usmerjeno anteno. Zaradi nestabilnosti ionosfere je natančnost takšnih postaj nizka, izračun dometa delovanja pa je težka naloga zaradi težav z upoštevanjem izgub zaradi sipanja in absorpcije radijskih valov na poti širjenja, kot tudi, ko se odbijajo od Zemlje in ionosfere. V tem primeru je treba upoštevati tudi izgube zaradi spremembe ravnine polarizacije radijskih valov.
Odvisnost višine ionosfere od številnih dejavnikov vodi do nepredvidljivih sprememb zakasnitve signala, kar otežuje uporabo nebesnih valov za radijsko navigacijo. Poleg tega interferenca prostorskih in površinskih valov povzroči popačenje površinskega signala in zmanjša natančnost lokacije.
Na koncu razmislimo o značilnostih širjenja radijskih valov miriametrskega (super dolgega) območja dolžine 10-30 km, ki se uporabljajo v zemeljskih globalnih navigacijskih sistemih. Te valove podležeča površina slabo absorbira in se dobro odbijajo od nje, pa tudi od ionosfere, tako ponoči kot podnevi. Posledično se superdolgi valovi širijo okoli Zemlje, kot v valovodu, omejenem z zemeljsko površino in ionosfero, na zelo velike razdalje. Hkrati je mogoče predvideti spremembo hitrosti širjenja in faznih premikov, kar zagotavlja zadostno natančnost pozicioniranja za plovbo na odprtem morju.
Trenutno se za globalno navigacijo uporabljajo satelitski RNS, pri katerih je zaradi velike nadmorske višine satelitskih orbit zagotovljena neposredna »vidnost« na velike razdalje z uporabo decimetrskih valov, ki prosto prehajajo skozi ionosfero.sistem, ki za globalni SRNS pokriva celoten prostor blizu Zemlje.
V prazen prostor zapišite enačbo za doseg radarja.
Kako je domet radarja odvisen od njegove valovne dolžine?
Kako odboj radijskih valov od zemeljske površine vpliva na doseg radarja?
Kakšna je značilnost zaznavanja nizko ležečih predmetov?
Kateri so glavni razlogi za oslabitev radarskega signala med širjenjem?
Določite domet radarja treh centimetrov, ki deluje v dežju z intenzivnostjo mm / h (). Domet radarja v prostem prostoru.
Pod kakšnimi pogoji lom radijskih valov povzroči nenormalno povečanje dometa radarja?
Kakšen je vpliv podležeče površine na delovanje RNS?
Kaj je "učinek Kabanov" in kako se uporablja v praksi?
Zakaj globalni zemeljski RNS uporabljajo radijske valove VLF?
UVOD
Izraz "radijski valovi" se praviloma nanaša na elektromagnetne valove, ki pripadajo določenemu frekvenčnemu območju, ki se uporablja v radijski tehniki. S posebnim sklepom Mednarodne zveze za telekomunikacije (ITU) in Mednarodne komisije za elektrotehniko (IEC) je običajno razlikovati med naslednjimi radiofrekvenčnimi območji in pripadajočimi radijskimi valovnimi dolžinami:
zelo nizke frekvence (VLF) - od 3 do 30 kHz ali miriametrski valovi (valovna dolžina od 100 do 10 km);
nizke frekvence (LF) - od 30 do 300 kHz ali kilometrski valovi (valovna dolžina od 10 do 1 km);
srednje frekvence (MF) - od 300 kHz do 3 MHz ali hektometrični valovi (valovna dolžina od 1 km do 100 m);
visoke frekvence (HF) - od 3 do 30 MHz ali dekametrski valovi (valovna dolžina od 100 do 10 m);
zelo visoke frekvence (VHF) - od 30 do 300 MHz ali metrski valovi (valovna dolžina od 10 do 1 m);
ultravisoke frekvence (UHF) - od 300 MHz do 3 GHz ali decimetrski valovi (valovna dolžina od 1 m do 10 cm);
ultravisoke frekvence (SHF) - od 3 do 30 GHz ali centimetrski valovi (valovna dolžina od 10 do 1 cm);
izjemno visoke frekvence (EHF) - od 30 do 300 GHz ali milimetrski valovi (valovna dolžina od 1 cm do 1 mm).
Radiotehnika se je skozi zgodovino razvijala s stalnim trendom razvoja vedno višjih frekvenčnih območij. To je bilo predvsem posledica potrebe po ustvarjanju visoko učinkovitih antenskih sistemov, ki koncentrirajo energijo znotraj ozkih trdnih kotov. Dejstvo je, da mora imeti antena z ozkim vzorcem sevanja nujno prečne dimenzije, ki znatno presegajo delovno valovno dolžino. Takšen pogoj je lahko izpolniti v metrskem, še bolj pa v centimetrskem območju, visoko usmerjena antena za miriametrske valove pa bi imela povsem nesprejemljive dimenzije.
Drugi dejavnik, ki določa dragocene lastnosti visokofrekvenčnih območij, je dejstvo, da je tukaj mogoče realizirati veliko število radijskih kanalov z medsebojno nesekajočimi se frekvenčnimi pasovi. To omogoča na eni strani široko uporabo načela frekvenčne delitve kanalov, na drugi strani pa uporabo širokopasovnih modulacijskih sistemov, kot je frekvenčna modulacija. Pod določenimi pogoji lahko takšni modulacijski sistemi zagotovijo visoko odpornost na hrup radijskega kanala.
V praksi radiodifuzije in televizije se je razvila tudi nekoliko poenostavljena klasifikacija pasov radijskih valov. V skladu z njim miriametrske valove imenujemo superdolgi valovi (VLW), kilometrske valove imenujemo dolgi valovi (LW); hektometrična - srednji valovi (MW), dekametrsko - kratki valovi (HF), vse več pa visokofrekvenčna nihanja z valovno dolžino, krajšo od 10 m, uvrščamo med ultrakratke valove (VHF).
1. ŠIRENJE RADIJSKIH VALOV V PROSTEM
PROSTOR
Sistem za prenos informacij je sestavljen iz treh glavnih delov: oddajnika, sprejemnika in vmesne povezave – povezovalnega voda. Vmesni člen je medij – prostor, v katerem se radijski valovi širijo. Pri širjenju radijskih valov po naravnih poteh, torej v razmerah, kjer kot medij služi zemeljsko površje, atmosfera, vesolje, je medij tisti člen radijskega sistema, ki je praktično neobvladljiv.
Pri širjenju radijskih valov v mediju se spreminja amplituda valovnega polja, spreminjata se hitrost in smer širjenja, vrti se ravnina polarizacije, oddani signali pa so popačeni. V zvezi s tem je pri načrtovanju radijskih komunikacijskih vodov potrebno:
določitev optimalnih delovnih valov pri danih pogojih širjenja;
določi pravo hitrost in smer prihoda signalov;
upoštevati morebitna popačenja oddanega signala in določiti ukrepe za njihovo odpravo.
Za rešitev teh problemov je treba poznati električne lastnosti zemeljskega površja in atmosfere ter fizikalne procese, ki se dogajajo pri širjenju radijskih valov.
Zemeljsko površje pomembno vpliva na širjenje radijskih valov:
v polprevodniški površini Zemlje se radijski valovi absorbirajo;
ko padejo na zemeljsko površje, se odbijejo;
sferična oblika zemeljskega površja preprečuje premočrtno širjenje radijskih valov.
Radijski valovi, ki se širijo v neposredni bližini zemeljske površine, se imenujejo zemeljski radijski valovi(1 na sliki 1.1). Glede na širjenje zemeljskih valov se atmosfera šteje za medij brez izgub z relativno prepustnostjo ε, ki je enaka enoti. Vpliv atmosfere se upošteva ločeno, s potrebnimi popravki.
V ozračju, ki obdaja Zemljo, obstajajo tri področja, ki vplivajo na širjenje radijskih valov: troposfera, stratosfera in ionosfera. Meje med temi območji niso ostro izražene in so odvisne od časa in geografske lege.
Troposfera imenovan površinski sloj ozračja, ki sega do višine 7-18 km. V troposferi temperatura zraka pada z višino. Troposfera je heterogena tako v navpični smeri kot vzdolž zemeljske površine. Njegovi električni parametri se spremenijo, ko se spremenijo meteorološke razmere. V troposferi obstaja ukrivljenost tirnice zemeljskih radijskih valov 1, imenovana lom. distribucija troposferski radijski valovi 2 je mogoč zaradi njihovega sipanja in odboja od nehomogenosti troposfere. V troposferi se absorbirajo radijski valovi v milimetrskem in centimetrskem območju.
Stratosfera sega od tropopavze do nadmorske višine 50-60 km. Stratosfera se od troposfere razlikuje po bistveno nižji gostoti zraka in po zakonu porazdelitve temperature po višini: do višine 30–35 km je temperatura konstantna, nato pa močno naraste do višine 60 km. . Stratosfera ima enak vpliv na širjenje radijskih valov kot troposfera, vendar se ta zaradi nizke gostote zraka kaže v manjši meri.
ionosfera imenovano območje ozračja na nadmorski višini 60-10.000 km nad zemeljsko površino. Na teh višinah je gostota zraka zelo nizka in zrak je ioniziran, kar pomeni, da je veliko prostih elektronov. Prisotnost prostih elektronov pomembno vpliva na električne lastnosti ionosfere in omogoča, da se od ionosfere odbijajo radijski valovi, daljši od 10 m.Radijski valovi, ki se širijo z odbojem od ionosfere ali sipanjem v njej, imenujemo ionosferski valovi 3. Lastnosti zemeljskega površja in troposfere malo vplivajo na pogoje za širjenje ionosferskega valovanja.
Pogoji za širjenje radijskih valov 4,5 v vesoljskih radijskih komunikacijah imajo nekaj posebnosti, pri radijskih valovih pa
riž. 1.2. Antenski vzorci po
moč:
1 – izotropni oddajnik; 2 - smerno
4 v glavnem vpliva zemeljska atmosfera.
1.1. Formula za popolno oddajo
Prosti prostor lahko obravnavamo kot homogeni nevpojni medij z ε =1. V resnici takšni mediji ne obstajajo, vendar so izrazi, ki opisujejo pogoje za širjenje radijskih valov v tem najpreprostejšem primeru temeljni. Za širjenje radijskih valov v bolj zapletenih primerih so značilni enaki izrazi z uvedbo faktorjev vanje, ki upoštevajo vpliv specifičnih pogojev širjenja.
Za načrtovanje različnih radijskih sistemov je potrebno določiti električno poljsko jakost radijskega valovanja na sprejemnem mestu ali moč na vhodu sprejemne naprave.
Za prosti prostor je energijska gostota P (W/m 2 ) na razdalji r (m) od točkovnega vira, ki oddaja radijske valove enakomerno v vse smeri, je povezana z močjo, ki jo seva ta vir Rizl (W) z naslednjim razmerjem:
kjer je P Poyntingov vektorski modul.
V praksi antena seva energijo v različne smeri neenakomerno. Da bi upoštevali stopnjo neenakomernosti sevanja, je uveden smerni koeficient antene.
Usmerjenost antene D prikazuje, kolikokrat se spremeni gostota moči na dani razdalji od oddajnika z usmerjenim oddajnikom v primerjavi z vsesmernim (izotropnim) oddajnikom.
Pri uporabi usmerjenega radiatorja pride do prostorske prerazporeditve moči, zaradi česar se v primerjavi z uporabo izotropnega radiatorja gostota moči v nekaterih smereh poveča, v drugih pa zmanjša. Uporaba usmerjenih anten omogoča D-krat večjo gostoto moči na sprejemni točki ali D-krat zmanjšanje moči oddajnika.
Vrednost D je funkcija kotov gledanja: v vodoravni ravnini ξ in v navpični q (slika 1.2). Značilno je, da antena ustvarja največje sevanje samo v določeni smeri (ξ0 θ0), za katero D pridobi največjo vrednost D max =D(ξ0 θ0). Imenuje se odvisnost D od kotov ξ in θ vzorec antene moči in razmerje F 2 (ξ,θ)= D(ξ θ)/D maks
Normaliziran vzorec sevanja glede na moč (slika 1.2).
Gostota moči na razdalji r od usmerjene sevalne antene
Amplituda električne poljske jakosti radijskega valovanja v prostem prostoru je povezana z gostoto energije tega valovanja (preko upora prostega prostora Z0)
E 2 m c v \u003d 2Z 0 P \u003d 240p P,
od koder se določi amplitudna vrednost električne poljske jakosti v prostem prostoru Em cv (V / m) na določeni razdalji r (m) od oddajnika:
(1.1)
Moč na vhodu sprejemnika, prilagojena anteni, ki se nahaja na razdalji r od oddajnika,
Učinkovito območje sprejemne antene, ki označuje območje valovne fronte, iz katere antena črpa energijo.
Primerno je določiti moč Рpr.sv neposredno prek moči Prad in vrednosti Drad sevalne antene:
Ta izraz se imenuje idealna formula radijskega prenosa.
Slabljenje moči med širjenjem radijskih valov v prostem prostoru, definirano kot razmerje Ppr.sv / Pizl, imenujemo izguba prenosa v prostem prostoru. Pri neusmerjenih oddajnih in sprejemnih antenah je to razmerje B 0 (dB) se izračuna po formuli:
kjer je P - moč, W; r - razdalja, km; ƒ - frekvenca, MHz.
Uporaba usmerjenih anten je enakovredna povečanju sevane moči za faktor.
Spomnimo se, da je polarizacija radijskih valov določena z orientacijo vektorja električne poljske jakosti radijskega valovanja v prostoru, smer vektorja pa določa smer polarizacije.Odvisno od spremembe smeri vektorja
polarizacija je lahko linearni, krožno in eliptične. Vrsto polarizacije radijskih valov v prostem prostoru določa vrsta oddajnika (antene). Na primer, vibratorska antena seva linearno polariziran val v prostem prostoru.
Za pridobitev valov s krožno polarizacijo zadostuje, da imamo kot oddajno anteno dva linearna vibratorja, premaknjena v prostoru za 90 ° drug glede na drugega, in ju napajamo s tokovi enake amplitude s faznim premikom 90 °. Radijske valove s krožno polarizacijo oddajajo na primer spiralne in vrtljive antene. Ta vrsta polarizacije se pogosto uporablja v televiziji in radarju.
Eliptično polariziran val lahko na primer ustvarimo z uporabo anten v obliki dveh križanih vibratorjev, katerih kraki se napajajo s tokovi različnih amplitud.
Za učinkovit sprejem se mora ujemati narava polarizacije polja sprejetega valovanja in polarizacijske lastnosti sprejemne antene. Formuli (1.2) in (1.3) veljata, če narava in smer polarizacije električnega polja in sprejemne antene sovpadata. Če ni ujemanja, se moč sprejemne antene zmanjša in zgornje formule popravijo. Na primer, za najučinkovitejši sprejem valov z linearno polarizacijo mora biti vibrator sprejemne antene usmerjen vzporedno z vektorjem . Če je smer vektorja pravokotno na os sprejemnega vibratorja, potem sprejema ne bo.
1.2. Prostor, bistven za razmnoževanje radijski valovi Fresnelova conska metoda
Na nastanek polja v bližini sprejemne antene B (slika 1.3, a) vplivajo različna območja prostega prostora, skozi katere prehajajo radijski valovi iz oddajnika A. Oddajnik ustvarja sferično valovanje, katerega vsak element na sprednji strani je spet vir sferičnega valovanja. Novo valovno površino najdemo kot ovojnico sekundarnih sferičnih valov. Polje na določeni razdalji od oddajnika je določeno s skupnim delovanjem sekundarnih virov. K temu znesku največ prispevajo viri
ki se nahaja blizu ravne črte AB Delovanje sekundarnih sosednjih radiatorjev, ki se nahajajo na precejšnji razdalji od te ravne črte, se medsebojno kompenzira.
Območje, bistveno za širjenje radijskih valov, imenujejo del prostora, v katerem se širi glavnina energije. Nehomogenosti medija (na primer ovire na poti valovanja) vplivajo na značilnosti polja na točki sprejema, če jih pokriva območje, ki je med širjenjem pomembno. To območje ima konfiguracijo elipsoida vrtenja z žarišči v točkah A in B (slika 1.3, b). Polmer preseka elipsoida na razdalji od točke A in razdalje r0 od točke B je določen z enačbo:
rn+ rn=r0+ r0+n (l/2)
in se lahko izračuna iz enačbe,
kjer je celo število.
Območje obroča, zgrajeno na ravnini S, pravokotno na premico AB, s polmeri Rn, se imenuje Fresnelova conaštevilke n (slika 1.3, c).
Če je zaslon z okroglo luknjo postavljen na pot širjenja valov (ravnina zaslona je pravokotna na črto AB), potem ko se spremeni polmer luknje (ali se zaslon premakne vzdolž poti), poljska jakost v točki B se bo periodično spreminjal (slika 1.4).
riž. 1.4. Sprememba jakosti polja je končana
zaslon z okroglo luknjo
sprememba polmera luknje R
(– polmer prve Fresnelove cone)
Moč polja bo največja, ko bo polmer luknje v zaslonu enak polmeru prve Fresnelove cone in polmerom Fresnelovih con z naslednjimi lihimi številkami. Pri veliki velikosti luknje (večji od polmera šeste Fresnelove cone) se amplituda poljske jakosti nagiba k Em St (slika 1.4), zato je polmer prečnega prereza območja, ki je pomemben med širjenjem, enak velja za enako polmeru Fresnelovega območja s številkami 6-10. Vendar za okvir
Pri izračunih lahko velikost pomembne regije pogosto vzamemo za enako polmeru prve Fresnelove cone.
1.3. Vprašanja za samopregledovanje
1. Kakšne so klasifikacije pasov radijskih valov? Podajte te klasifikacije.
2. Zakaj obstaja trend razvoja vedno več visokofrekvenčnih območij radijskih valov?
3. Kakšno je zaporedje načrtovanja radijskih zvez?
4. Kateri dejavniki vplivajo na vrste poti širjenja radijskih valov?
5. Zapišite formulo za idealno oddajo. Razloži.
6. Katere so vrste polarizacije radijskih valov?
7. Zakaj je za učinkovit sprejem potrebno upoštevati naravo polarizacije sprejetega valovanja in polarizacijske lastnosti sprejemne antene?
8. Kateri del prostora imenujemo območje, ki je bistveno za širjenje radijskih valov?
9. Kakšen je namen uvedbe pojma Fresnelove cone?
10. Narišite in pojasnite graf odvisnosti poljske jakosti za neprozornim zaslonom od polmera luknje v tem zaslonu.
2. VPLIV ZEMELJSKEGA POVRŠJA NA ŠIRJENJE RADIJSKIH VALOV
2.1. Absorpcija radijskih valov na različnih vrstah zemeljske površine
Končne točke radijskih zvez se v večini primerov nahajajo v neposredni bližini površja Zemlje. Prisotnost polprevodne površine Zemlje povzroča absorpcijo in odboj radijskih valov, včasih s spremembo polarizacije valovanja. Kvantitativno so ti pojavi odvisni od električnih parametrov zemeljske površine: dielektrične prepustnosti ε in prevodnosti (tabela 2.1). Vrednosti ε in se eksperimentalno določijo z absorpcijo radijskih valov na zemeljski površini in odbojem od nje ter so odvisne od strukture zemeljske površine, njene vlažnosti, plasti, temperature in tudi od delovne frekvence.
Tabela 2.1 kaže, da se z naraščajočo frekvenco (zmanjšanje valovne dolžine) ε morske in sladke vode zmanjšuje. To zmanjšanje ε je posledica dejstva, da so molekule vode polarne in z naraščanjem frekvence nimajo časa, da bi se usmerile v smeri električnega polja.
Tla so kompleksen dielektrik, sestavljen iz trdne komponente - suhe prsti in tekoče komponente - vodne raztopine soli. Vrednosti ε in tekoče komponente so bistveno večje od vrednosti trdne komponente, električni parametri tal pa so določeni predvsem z lastnostmi tekoče komponente.
Pogoji za širjenje radijskih valov v mediju so značilni tangens izgube v mediju, ki je številčno enaka razmerju med gostotama prevodnega in premikalnega toka
Če, potem v mediju prevladuje tok premika in se po svojih lastnostih približa dielektriku. Če torej v mediju prevladuje prevodni tok in se njegove lastnosti približajo lastnostim prevodnika. Pri določeni mejni valovni dolžini lgr pride do enakosti gostot prevodnih tokov in tokov izpodrivanja. Da, za morsko vodo
Zato lahko morsko vodo za radijske valove v centimetrskem območju obravnavamo kot dielektrik. Za mokro zemljo
Tabela 2.1
Vrednosti dielektrične konstante in prevodnosti za najbolj značilne vrste zemeljske površine
Vrsta zemeljske površine ali pokrova
Valovna dolžina, m
Morska voda (t = 20 0 С)
Sveža voda rek, jezer
Mokra prst (t = 20°C)
Suha tla (t = 20°C)
Led (t = -10° С)
Sneg (t = -10° С)
zmrznjena tla
Nadaljevanje tabele. 2.1
Vlažna tla za metrske in krajše valovne dolžine se lahko obravnavajo kot dielektrik. Posledično imajo za centimetrske valove vse vrste zemeljske površine lastnosti, ki so blizu lastnostim idealnega dielektrika.
Pri širjenju radijskih valov v polprevodnem mediju se amplituda polja zmanjšuje z razdaljo po eksponentnem zakonu, faza pa se spreminja linearno. Zabeleži se trenutna vrednost poljske jakosti valovanja, ki se širi v polprevodniškem mediju v smeri ene od koordinatnih osi.
kjer je Em s določen iz (1.1).
Vrednost α označuje izgubo energije v mediju in se imenuje faktor dušenja. Fizikalno gledano so izgube posledica prehoda energije elektromagnetnega valovanja v toplotno energijo gibanja molekul. Vrednost b (fazni koeficient) označuje spremembo faze vala. Te količine lahko zapišemo v naslednji obliki:
Hitrost gibanja dane faze v smeri širjenja valov nf, imenovana fazna hitrost, je povezana z vrednostjo β:
Odnos
klical lomni količnik okolju.
Valovna dolžina v mediju
Absorpcijo radijskih valov v mediju ocenjujemo z integralnim koeficientom Г in izražamo v decibelih:
Linearna absorpcija je izražena v decibelih na meter:
Razdalje, na katerih je Em med širjenjem radijskih valov v vlažni zemlji in morski vodi oslabljen za faktor 10 6 (za 120 dB), so podane v tabeli 2.2.
Tabela 2.2
Razdalje, na katerih pride do slabljenja
Razdalja, pri kateri so vrednosti Em oslabljene za 120 dB, m
mokra prst
Morska voda
Posledično za radijsko komunikacijo skozi debelino zemeljske površine ali morja (na primer za komunikacijo s potopljenimi podmornicami) veljajo samo dolgi in ultra dolgi valovi.
2.2. Odboj ravnih radijskih valov od zračno gladke površine Zemlje
Elektromagnetno valovanje, ki pada na gladko mejo med dvema medijema (slika 2.1), se delno odbije od te meje (vpadni kot je enak odbojnemu kotu) in delno preide v globino drugega medija. Zato so v prvem mediju vpadni in odbiti valovi, v drugem pa lomljeni val.
Glede na smer vektorja glede na zemeljsko površino ločimo dve vrsti polarizacije - navpično in vodoravno. Z navpično polarizacijo vektor električne poljske jakosti leži v vpadni ravnini valovanja, to je v ravnini, ki je pravokotna na ločilno ravnino in poteka skozi smer širjenja vpadnega vala (slika 2.1, a). Z vodoravno
riž. 2.1. Za določitev odbojnega koeficienta
polarizacija je vektor električne poljske jakosti vzporeden z mejno ravnino (slika 2.1, b).
Fresnelov odboj je razmerje kompleksnih amplitud poljskih jakosti vpadnega in odbitega valovanja, definiranega na idealno gladkem ravnem vmesniku. Za navpično in vodoravno polarizirane valove, ki padajo iz prostega prostora na polprevodnik, se vrednosti koeficientov Gv in Gg izračunajo po formulah:
kjer je θincidence vpadni kot valovanja na vmesnik med mediji; F je njegova faza.
V nekaterih primerih je treba poznati poljsko jakost ali moč valovanja, ki prehaja v drugi medij. Za to se uporablja koncept prenosni koeficient F: . Prenosni koeficient se lahko izrazi s koeficientom odboja Г. Z navpično polarizacijo
z vodoravno polarizacijo
2.3. Odboj radijskih valov od hrapave površine
Naravni pokrovi tal so redko popolnoma ravni. Največji vpliv imajo nepravilnosti pri odboju ultrakratkih in predvsem centimetrskih in milimetrskih radijskih valov. Zato je v praksi pomembno, da lahko določimo značilnosti polja, ki se odbija od neravnih površin. Za razliko od gladke površine, hrapava površina ustvarja odbit signal ne le v smeri odbojnega kota, ki je enak vpadnemu kotu, temveč tudi v drugih smereh, vključno z obratno. Zato prisotnost nepravilnosti povzroči zmanjšanje efektivnega odbojnega koeficienta v smeri zrcalnega žarka.
Glavni dejavnik pri nastanku odbojnega polja so fazna razmerja, ki jih določa razlika v poti valovanja od vira sevanja do površinskih elementov. Razpršeni signal ima lahko poleg komponente enake polarizacije kot vpadni val še komponento ortogonalne polarizacije. Izračun poljske jakosti razpršenih valov se izvede v primeru velikih nepravilnosti po Kirchhoffovi metodi, v primeru majhnih nepravilnosti pa po metodi motenj.
Na nastanek odbitega valovanja vpliva predvsem površina, ki jo omejuje 1. Fresnelova cona. Pri normalnem vpadu valov na površino je 1. Fresnelova cona krog s polmerom (glej (1.5)), pri poševnem vpadu pa elipsa, katere velika os je razširjena v smeri širjenja valov. Mere male in velike pol-osi elipse 1. Fresnelove cone so enake:
kjer in so razdalje od koncev poti do točke geometrijskega odboja; - vpadni kot vala (slika 2.2, b).
Slika 2.3. Vidna razdalja
brez in z lomom
2.4. Razvrstitev primerov širjenja prizemnih radijskih valov
Pri izračunu poljske jakosti prizemnih radijskih valov je atmosfera vzeta kot medij brez izgub z ε=1, dodatno pa so uvedeni potrebni popravki, ki upoštevajo vpliv atmosfere.
Vpliv zemeljskega površja na pogoje za širjenje radijskih valov lahko zmanjšamo na dva primera: prvi - oddajna ali sprejemna antena je dvignjena visoko (na lestvici valovnih dolžin) nad zemeljsko površino, drugi - oddajna in sprejemne antene so v neposredni bližini Zemlje.
V prvem primeru, značilnem za ultrakratke in delno kratke radijske valove, je metoda za izračun poljske jakosti odvisna od dolžine radijske povezave v primerjavi z razdaljo "vidnega polja" (slika 2.3), izračunano po formuli
kjer je = 6,37 10 6 m polmer Zemlje; in - višine antene, m.
Z dolžino radijske povezave< <0,2 земную поверхность можно считать плоской, при 0,2 < <0,8 вносятся поправки на сферичность земной поверхности, при >0,8 izračun poljske jakosti se izvede ob upoštevanju difrakcije radijskih valov.
V drugem primeru, ki se nanaša predvsem na srednje in dolge valove, z dolžino radijske povezave ne več kot: 300-400 km (za λ, 200-20000 m); 50-100 km (za λ, 50-200 m); 10 km (za λ, 10-50 m) zemeljsko površje velja za ravno. Na daljših radijskih povezavah se izračun poljske jakosti izvede ob upoštevanju uklona.
2.5. Polje oddajnika se dvigne nad ravno zemeljsko površino
V tem primeru val doseže zemeljsko površino na precejšnji (na lestvici valovne dolžine) razdalji od oddajnika, odsek valovne fronte v bližini zemeljske površine pa se lahko šteje za ravno. Na radijski povezavi na kratke razdalje< 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 interferenčna formula
kjer je določeno iz (1.1),
Kota θ1 in θ2 sta označena na sl. 2.4. Koren trinoma v tej formuli se imenuje faktor motenj.
Koeficient odboja od zemeljske površine Гw.g se določi za ustrezno polarizacijo po formulah (2.7), (2.8). Za šibko usmerjene antene je interferenčna formula poenostavljena zaradi dejstva, da je v širokem razponu kotov D(θ2)/D(θ1) 1:
Prisotnost zemeljske površine spremeni porazdelitev polja sevalca v navpični ravnini. Sevalni vzorec sistema sevalnik-Zemlja je razčlenjen s številnimi režnji, sam sevalni vzorec sevalnika F(θ) pa predstavlja ovojnico teh režnjev. Slika 2.5 prikazuje nastale vzorce sevanja sistemov vertikalni vibrator - Zemlja (a) in horizontalni vibrator - Zemlja (b), ko je sevalec dvignjen na višino nad tlemi, vzetimi kot idealni dielektrik.
Za praktično pomemben primer širjenja radijskih valov s pašnimi žarki (θ se nagiba k 90 0) lahko formulo (2.12) še poenostavimo. Upoštevajoč, da je v tem primeru |Gv.g| 1, Fv.g (slika 2.1), poljska jakost Em (V/m), odvisno od
riž. 2.5. Usmerjeni vzorci anten, dvignjenih nad zemeljsko površino
razdalje r (m), valovna dolžina (m), višine anten (m) in moč P (W) so določene s predlagano formulo B.A. Vvedenski:
Če
potem se izračun po zgornji formuli dobro ujema z rezultati meritev.
2.6. Polje oddajnika, ki se nahaja v bližini ravne zemlje
površine
Delovanje idealno prevodne površine na navpični vibrator lahko nadomestimo z delovanjem fiktivnega vibratorja enake dolžine, ki se nahaja simetrično na glavni vibrator glede na površino (slika 2.6). Potem je električno polje v oddaljenem območju neposredno na površini določeno s formulo
kjer je efektivna dolžina pravega vibratorja.
Vzorec sevanja takšne antene ima največje sevanje vzdolž površine. V skladu z robnimi pogoji je vektor usmerjen normalno na površino, posledično pa je vektor širjenja energije usmerjen vzporedno s površino. Razmere, ki so blizu obravnavanim, opazimo v praksi, ko se dolgi valovi širijo po površini morja.
Če je vir radijskih valov vodoravni vibrator, ki se nahaja nad popolnoma prevodno površino na višini, ki je veliko manjša od valovne dolžine, ima tok v zrcalni podobi vibratorja nasprotno smer od toka v samem vibratorju. Polja, ki jih ustvarijo ti vibratorji blizu površine, se med seboj izničijo in nastalo polje se izkaže za nič. Pri neidealni prevodnosti zemeljske površine ne pride do popolne kompenzacije, vendar je polje horizontalnega vibratorja veliko šibkejše od polja vertikalnega vibratorja, zato je uporaba vertikalnega vibratorja najbolj zanimiva.
Če površina, blizu katere se nahaja navpični oddajnik (slika 2.6, b), ni idealen prevodnik, potem del energije radijskih valov, ki se širijo iz antene, prodre globoko v zemeljsko površino. Posledično poleg komponente P1g, usmerjene vzdolž površine, obstaja komponenta P1v, usmerjena pravokotno na zemeljsko površino, zaradi česar celotni vektor P1 ni usmerjen vzporedno z zemeljsko površino, in posledično električno polje Vektor jakosti 1 je usmerjen na zemeljsko površje pod kotom, ki ni enak 90°, poleg navpične komponente električne poljske jakosti pa je še vodoravna komponenta E1r. Na podlagi približnega
robni pogoji Leontovich - Shchukin (vzpostavi povezavo med vektorji in elektromagnetnim poljem prvega medija na površini dobro prevodnega drugega medija, kjer je kompleksni valovni upor drugega medija) dobimo razmerje med navpičnim in horizontalne komponente kompleksnih amplitud električne poljske jakosti blizu zemeljske površine:
Komponente in polja so fazno zamaknjena, zaradi česar ima eliptično polarizacijo. Strogi robni pogoji dajejo razmerje med kompleksnimi amplitudami komponent polja v zraku in v tleh:
Homogena proga. Za izračun Em1v neposredno na površini, ko je oddajnik vibrator, ki se nahaja v bližini polprevodniške površine, uporabite sočasno izpeljano formulo M.V. Shuleikin in B. Van der Pol:
riž. 2.7. K izračunu uklona radijskih valov - shema
širjenje valov po sferični površini zemeljske oble
kjer je določeno z (1.1); |W| je množitelj slabljenja, ki je funkcija parametra,
Za vrednosti> 25
|W| ena/. (2,17)
Heterogena proga. Poljska jakost na nehomogeni poti, sestavljeni iz dveh odsekov, katerih električni parametri se močno razlikujejo, na primer pri premikanju z morja na kopno, je določena z (2.15), kjer je faktor slabljenja |W| se izračuna kot geometrična sredina faktorjev slabljenja dveh fiktivnih homogenih poti: Pri izračunu se vzamejo parametri in, pri izračunu pa parametri in.
Obalna refrakcija. Fazna hitrost radijskega valovanja, ki se širi blizu zemeljske površine, je odvisna od njegove
električni parametri. Ko radijski val preide iz morja na kopno (v bližini obale), pride do spremembe smeri širjenja valov, imenovane obalna refrakcija. To ustvarja napako pri določanju smeri prihoda radijskih valov, kar je nujno za delovanje radijskih navigacijskih sistemov.
2.7. Difrakcija radijskih valov okoli sferične zemeljske površine
Imenuje se zaokroževanje ovir, na katere naletijo radijski valovi na poti njihovega širjenja uklon. Kadar sta dolžina radijske povezave in višina anten tolikšni, da je območje, ki je bistveno za širjenje radijskih valov (1. Fresnelovo območje), delno ali v celoti prekrito s konveksnostjo zemeljskega površja, potem nepokriti del 1. Fresnelova cona ali cone naslednjih številk, ki predstavljajo kombinacijo virov sferičnih valov, ustvarjajo sevanje ne samo v smeri začetnega gibanja valov, temveč tudi za konveksnostjo zemeljske površine.
Razdalje blizu meje vidnega polja, ko je 1. Fresnelovo območje le delno zaprto, imenujemo penumbra(slika 2.7). Razdalje, na katerih je 1. Fresnelovo območje popolnoma pokrito, se imenujejo območje sence.
V območju sence se izračun poljske jakosti Em (mV / m) izvede po formuli, ki jo je predlagal B .AMPAK. fokom:
kjer je Em sv določen s formulo (1.1); G je faktor slabljenja, ki je produkt treh funkcij, G = U(x)V()V (), kjer je U(x) funkcija oddaljenosti od oddajnika, r (m); V() V() - funkcije višine oddajne in sprejemne antene ali, če so funkcije izražene v decibelih, potem je G (dB) enak
Za določitev funkcij U(x) in V(y) se uporabljajo grafi, dostopni v literaturi.
Izračun po teh grafih se izvaja predvsem za VHF pas, kjer se uporabljajo antene, ki so visoko dvignjene nad zemeljsko površino. Izračun jakosti polja v območjih dolgih, srednjih in celo kratkih valov, ko se antene nahajajo blizu površine Zemlje, je poenostavljen, saj je V() = V() = 1.
2.8. Vprašanja za samopregledovanje
1. Zapišite izraz za določitev tangensa kota izgube, podajte potrebna pojasnila.
2. V katerem območju radijskih valov prevladuje gostota tokov premika v zemeljskem površju nad gostoto prevodnih tokov?
3. Pri katerih prevodnih tokovih in pomikih se določi mejna valovna dolžina?
4. Navedite značilnosti parametrov radijskih valov v polprevodniškem mediju.
5. Pojasnite, zakaj so za radijsko komunikacijo s potopljenimi podmornicami uporabni samo dolgi in zelo dolgi valovi?
6. Kateri koeficienti določajo intenziteto odbitih in lomljenih valov? Za katere vrste polarizacije so določeni ti koeficienti?
7. Pojasnite značilnosti odboja radijskih valov od hrapave površine.
8. Pod kakšnim pogojem se lahko hrapava površina šteje za gladko?
9. Podajte klasifikacijo primerov širjenja prizemnih radijskih valov in jo razložite.
10. Zapišite interferenčno formulo in poimenujte pogoje za njeno uporabnost.
11. Zapišite formulo Vvedenskega. Pod kakšnimi pogoji je mogoče poljsko jakost izračunati s to formulo.
12. Pojasnite značilnosti polja oddajnika, ki se nahaja v bližini ravne zemeljske površine.
13. Katere so komponente polja navpičnega vibratorja, ki se nahaja v bližini polprevodne površine zemlje?
14. Zapišite in razložite formulo Shuleikin-Van der Pol.
15. Navedite značilnosti izračuna poljske jakosti na nehomogeni poti, ko se oddajnik nahaja v bližini ravne zemeljske površine.
16. V katerem območju valovanja pomembno vplivajo napake pri določanju koordinat sevalca, ki jih povzroči obalni lom?
17. Kako se pri izračunu poljske jakosti upošteva uklon radijskih valov okoli sferične zemeljske površine?
3. TROPOSFERA IN NJEN VPLIV NA ŠIRJENJE RADIJSKIH VALOV
3.1 Sestava in zgradba troposfere
Troposfera- to je plast atmosfere, ki je najbližja zemeljski površini, sega do višine 8-10 km v polarnih širinah in do 16-18 km v tropih. Troposfera vsebuje do 4/5 mase plinov, ki sestavljajo ozračje, in skoraj celotno količino vodne pare.
Električno gledano je troposfera zelo heterogen medij, zaradi česar so trajektorije radijskih valov v njej ukrivljene, posledično pa se na določeni razdalji spreminjata smer prihoda valovanja in jakost polja.
Da bi upoštevali vpliv troposfere na širjenje radijskih valov, je treba poznati vzorce sprememb in, ki jih določajo fizikalno-kemijske lastnosti plinov, ki vstopajo v troposfero. Relativna plinska sestava troposfere ostaja konstantna po vsej višini, spreminja se le vsebnost vodne pare, ki je odvisna od vremenskih razmer in pada z višino.
normalna troposfera imenovana taka hipotetična troposfera, katere lastnosti odražajo povprečno stanje realne troposfere. Za normalno troposfero so značilne naslednje lastnosti: tlak na površini Zemlje (p = 0,1013 MPa), temperatura (T = 288 K) in relativna vlažnost (S = 60 %). S povečanjem višine za vsakih 100 m se tlak zmanjša za 1,2 kPa, temperatura - za 0,55 K. Višina 11 km velja za mejo normalne troposfere.
3.2 Dielektrična konstanta in lomni količnik troposfere
Relativno prepustnost troposfere (zraka) lahko le približno štejemo za enako enoto. V resnici je vrednost nekoliko večja od enote in je odvisna od tlaka p (Pa), temperature T (K) in absolutne vlažnosti e (Pa)
Drugi člen v (3.1) izraža spremembo zaradi premika električnih nabojev v nepolarnih molekulah plina, ki sestavljajo zrak, pod vplivom zunanjega polja in orientacije polarnih molekul vodne pare.
Lomni količnik troposfere
in je z magnitudo troposfere povezan z izrazom
Na površju Zemlje je vrednost n, odvisno od podnebnih razmer, 1,00026-1,00046. Za izračune je bolj priročno uporabiti količino, imenovano zmanjšan lomni količnik troposfere, N=(n-l) 10 6 , za Zemljo N = 260 460.
Za normalno troposfero se sprememba z višino nad zemeljsko površino h (m) podreja eksponentnemu zakonu
kjer je z = 5,78 - odstopanje od enote blizu zemeljske površine; - navpični gradient pri h = 0.
Pri povprečenju velikega števila opazovanj opazimo eksponentno odvisnost od višine, posamezne specifične krivulje pa nekoliko odstopajo od te zakonitosti. Odstopanja so še posebej velika poleti na nadmorskih višinah do 2–3 km, kjer so opazne intenzivne plasti oblakov in pogoste temperaturne in vlažne inverzije. Skoraj vedno so razmeroma majhna nihanja glede na eksponentno odvisnost, ki jih povzroča turbulentno gibanje zraka.
Ta nihanja se obravnavajo kot nehomogenosti troposfere. Velikosti majhnih nehomogenosti so določene za več metrov ali več deset metrov, odstopanje od povprečne vrednosti N pa je DN = l 2. Majhne nehomogenosti se nenehno spreminjajo, pojavljajo in izginjajo. Povprečne vrednosti N so podvržene sezonskim in dnevnim spremembam, te spremembe so največje blizu zemeljske površine in padejo skoraj na nič na nadmorski višini 7-8 km. Najvišje vrednosti N v bližini zemeljske površine opazimo julija, najmanjše - januarja.
Sezonska nihanja površinskih vrednosti N spremljajo ustrezne spremembe g. Vrednosti gradientov g in njihove spremembe so še posebej velike v površinski plasti in padajo z višino. Vrednosti in g sta odvisni od geografske lokacije poti in se spreminjata vzdolž same poti.
V površinski zračni plasti je za poenostavitev izračunov mogoče približati eksponentni zakon spremembe z višino - linearno
Efektivni navpični gradient dielektrika prepustnost troposfere, ki predstavlja tako konstanten višinski gradient, da bo poljska jakost na sprejemni točki enaka kot v primeru dejanske spremembe poti.
Povprečno vrednost gradienta dobimo kot rezultat statistične obdelave velikega števila meritev. Vrednosti upoštevajo normalni zakon porazdelitve s standardnim odklonom. Povprečne vrednosti (1/m) in standardne deviacije (1/m) za različna podnebna območja poleti, ko so te vrednosti največje, se spreminjajo v naslednjih mejah od do od do 11 . Obstajajo zemljevidi z izolinijami povprečnih mesečnih vrednosti zmanjšanega lomnega količnika na morski gladini.
Dielektričnost troposfere je mogoče določiti z merjenjem temperature, tlaka in vlažnosti zraka z instrumenti, nameščenimi na letalih ali balonih.
3.3. Lom radijskih valov v troposferi
lomnost imenujemo ukrivljenost trajektorije radijskega valovanja, ko se širi v nehomogenem mediju. Pojav loma v troposferi je razložen s spremembo dielektrične konstante in s tem lomnega količnika n z višino.
Polmer ukrivljenosti trajektorije radijskih valov v troposferi (brez upoštevanja ukrivljenosti zemeljske površine) se lahko določi s formulo:
kjer je vpadni kot valovanja na lomno mejo;
dn/dh je gradient lomnega količnika.
Predznak minus gradienta lomnega količnika pomeni, da je polmer ukrivljenosti pozitiven in da je krivulja valov konveksna navzgor, saj se lomni količnik zmanjšuje z višino.
Če upoštevamo, da je n l, in za najbolj zanimiv primer blagih žarkov sin 1, imamo:
Iz (3.3) sledi, da polmer ukrivljenosti trajektorije radijskih valov v troposferi ni določen z absolutno vrednostjo lomnega količnika, temveč s hitrostjo njegovega spreminjanja z višino.
Pri širjenju v normalni troposferi, za katero je značilen konstanten gradient lomnega količnika, imajo trajektorije radijskih valov, ki potujejo pod majhnimi koti na zemeljsko površino, obliko krožnih lokov s polmerom R = 25.000 km.
Refrakcija, ki se pojavi v normalni troposferi, se imenuje normalna troposferska refrakcija.
Upoštevanje vpliva troposferske refrakcije z linearno odvisnostjo indeksa N od višine je poenostavljeno z uporabo ekvivalentnega polmera Zemlje Re. Predpostavimo, da se radijski valovi, ki doživljajo lom, ne širijo vzdolž krivuljnih trajektorij v nehomogenem mediju, kot v realnih pogojih, temveč vzdolž pravokotnih trajektorij v homogenem mediju nad neko namišljeno površino, katere polmer ukrivljenosti Re ni enak polmeru Zemlja: Ro = 6370 km (slika 3.1).
Poleg tega se predpostavlja, da v resničnih in enakovrednih primerih potekajo trajektorije radijskih valov na enaki višini nad površino na enakih razdaljah od oddajnika. Potem je ekvivalentni polmer globusa podan z
Za normalno refrakcijo dN/dh -40 1/km in Re = 8500 km.
Glavni primeri uporabe koncepta ekvivalentnega polmera Zemlje so naslednji.
Vidna razdalja ob upoštevanju loma se določi s formulo
Pri normalnih refrakcijskih pogojih
kje je razdalja v metrih; je višina antene v metrih.
Pri normalnem lomu se vidna razdalja poveča za 15 %.
Pod vplivom različnih meteoroloških razmer v troposferi lahko pride do spremembe lomnega količnika z višino, ki se bistveno razlikuje od pogojev, ki določajo pojav normalne refrakcije. V skladu s tem je lahko refrakcija negativna, odsotna ali pozitivna (slika 3.2).
Pri negativnem lomu se N ne zmanjšuje, kot običajno, z višino, ampak nasprotno, narašča, tj. dN/dh>0. Hkrati je R<0 и
траектория радиоволны обращена выпуклостью вниз - радиоволна удаляется от
поверхности Земли.
Če N ostane konstanten, ko se nadmorska višina spreminja, potem ni loma.
V praksi so najpogostejši primeri, ko N pada z višino, to je dN/dh<0. Траектория радиоволны в этом случае обращена
выпуклостью вверх, наблюдается положительная рефракция. Положительная
рефракция подразделяется на zmanjšano(polmer ukrivljenosti trajektorije radijskih valov je večji kot pri normalnem lomu), normalno, povečala(polmer ukrivljenosti trajektorije radijskih valov je manjši kot pri normalnem lomu), kritično(polmer ukrivljenosti trajektorije radijskih valov je enak polmeru globusa) in superrefrakcijo(polmer ukrivljenosti trajektorije radijskih valov je manjši od polmera globusa).
riž. 3.2. Vrste refrakcije radijskih valov v troposferi:
1 - negativna refrakcija; 2 – pozitivni lom; 3 – kritična refrakcija; 4 - superrefrakcijo
S superrefrakcijo radijski valovi, ki se oddajajo pod nizkimi koti višine, doživijo popoln notranji odboj v nižjih plasteh troposfere in se vrnejo na zemeljsko površje. Z zaporednimi odboji od zemeljske površine se lahko radijski valovi širijo na precejšnje razdalje izven "vidnega polja".
3.4. Absorpcija radijskih valov v troposferi
Dolgi, srednji in kratki radijski valovi se v troposferi ne absorbirajo.
Pri valovih, krajših od 10 cm, začne slabljenje radiofrekvenčne energije v troposferi opazno naraščati. To nastane zaradi absorpcije in sipanja s kapljičnimi tvorbami ali hidrometeorji (predvsem v dežju, megli; toča, sneg so manj prizadeti), pa tudi s trdimi delci (prah, dim itd.). Absorpcija je posledica toplotnih izgub v vodi ali prašnih delcih, izgube pri sipanju pa so posledica prerazporeditve energije v prostoru.
Če val potuje v troposferi, pot r in razdalja pade na padavinsko cono, potem je poljska jakost za padavinsko cono Em oc določena s formulo:
kjer je Em poljska jakost v prostem prostoru na razdalji r od sevalca (1.1);
Гoc - koeficient slabljenja, dB/m.
Odvisnost koeficienta slabljenja Гoc od valovne dolžine pri širjenju centimetrskih in milimetrskih valov v dežju in megli je prikazana na (sl. 3.3).
Centimetrske radijske valove razpršijo dežne kapljice in megla, kar povzroči pojav odbitih radarskih signalov. Odbiti signali dežja in oblakov zavzemajo veliko površino na zaslonih radarskih postaj, kar moti normalno delovanje teh postaj. Za ublažitev odbojev od dežja radarske postaje uporabljajo radijske valove s krožno polarizacijo.
riž. 3.4. Odvisnost absorpcijskega koeficienta v kisiku in vodni pari od valovne dolžine
Radijski valovi, krajši od 3 cm, doživljajo tudi molekularno absorpcijo kisika in vodne pare, ki jo opazimo celo v "čisti" atmosferi in je posledica porabe energije za vzbujanje atomov. Koeficient slabljenja je mogoče določiti z uporabo grafov na (sl. 3.4), jakost polja Em na daljavo pa izračunati z uporabo formule:
Najbolj intenzivno absorpcijo opazimo pri valovih 0,25; 0,5; 1,35 cm - ti valovi so neprimerni za delo. "Okna preglednosti" atmosfere so blizu valov z dolžino 0,4 in 0,8 cm - ti valovi so priporočljivi za delovanje v centimetrskem območju.
3.5. Vprašanja za samopregledovanje
1. Pojasnite značilnosti sestave in zgradbe troposfere.
2. Kaj je normalna troposfera?
3. Kako je prepustnost troposfere povezana z meteorološkimi razmerami?
4. Kakšna je narava majhnih nepravilnosti v troposferi.
5. Kako razložiti prisotnost pojava refrakcije v troposferi.
6. Kako je polmer ukrivljenosti krivulje valovanja odvisen od dielektrične prepustnosti?
7. Zakaj je uveden koncept ekvivalentnega zemeljskega polmera?
8. Kateri pogoji so potrebni za pojav superrefrakcije radijskih valov?
9. Katere vrste loma obstajajo? Pojasnite značilnosti posamezne vrste.
10. Zaradi katerih dejavnikov je absorpcija radijskih valov v troposferi?
11. Kaj je "okno prosojnosti" ozračja?
4. IONOSFERA IN NJEN VPLIV NA ŠIRENJE RADIJSKIH VALOV
4.1. Ionizacija in rekombinacija plina v ionosferi
Ionosfera je območje atmosfere, ki se nahaja na nadmorski višini 60-10.000 km, kjer je plin delno ali popolnoma ioniziran, to pomeni, da vsebuje veliko število prostih elektronov. Prisotnost prostih elektronov v zgornjih plasteh atmosfere določa električne parametre ioniziranega plina - njegovo dielektrično konstanto in prevodnost.
Imenuje se število elektronov v enoti prostornine zraka elektronska gostota ().
Gostota elektronov in ionov v ionosferi ni konstantna po višini, kar vodi do loma in odboja radijskih valov v ionosferi.
Volumetrične nehomogenosti ioniziranega plina povzročajo sipanje radijskih valov. Ti pojavi določajo pogoje za širjenje radijskih valov v ionosferi in jih je v nekaterih primerih mogoče uporabiti, v drugih pa jih je treba upoštevati pri delovanju radijskih zvez. V zvezi s tem je postalo potrebno preučiti strukturo ionosfere ter njene redne in naključne spremembe.
Ionosfera kot celota je kvazinevtralna, kar pomeni, da je število pozitivnih in negativnih nabojev v njej enako. Sestava plina v tem delu atmosfere se razlikuje od sestave plina v bližini zemeljske površine: poleg molekularnega kisika in dušika so tu še atomi teh snovi, plini pa se ne mešajo in so razporejeni v plasteh v v skladu z njihovo molekulsko maso.
Temperatura plina, začenši z višine h = 80 km, postopoma narašča in doseže 2000-3000 K pri h = 500 600 km. Povišanje temperature z višino v ionosferi je razloženo z dejstvom, da se zrak tukaj segreva neposredno s sončnim sevanjem.
Glavni vir ionizacije zemeljske atmosfere so elektromagnetni valovi sončnega sevanja z dolžino, krajšo od 0,1 mikrona - spodnji del ultravijoličnega območja in mehki rentgenski žarki ter tokovi nabitih delcev, ki jih oddaja Sonce. Ultravijolični in rentgenski žarki povzročajo ionizacijo le v osvetljenem delu zemeljske oble, intenzivneje pa v ekvatorialnih območjih. Nabiti delci se premikajo vzdolž spiralnih linij v smeri silnic magnetnega polja do magnetnih polov sveta in povzročajo ionizacijo predvsem v polarnih območjih. Menijo, da ionizirajoči učinek toka delcev ne presega 50 % ionizirajočega učinka ultravijoličnega sevanja Sonca.
Poleg Sonca so vir ionizirajočega sevanja zvezde, predvsem tiste, ki imajo visoko temperaturo (približno 20.000 °C) in ustvarjajo intenzivno ultravijolično sevanje. Toda zaradi velike oddaljenosti zvezd je ionizirajoči učinek njihovega sevanja približno 0,001 del ionizirajočega učinka Sonca. Ionizacijo povzročajo tudi meteorji, ki vdirajo v zemeljsko atmosfero s hitrostjo 11-73 km/s. Poleg povečanja povprečne stopnje ionizacije meteorji ustvarjajo lokalno ionizacijo: za meteorjem se oblikuje stolpec ioniziranega plina, ki se hitro razširi in razprši, v ozračju pa obstaja od ene do nekaj sekund. Takšne ionizirane meteorne sledi nastanejo na nadmorski višini 80-120 km nad zemeljsko površino.
Hkrati s pojavom novih elektronov v ionosferi del obstoječih elektronov izgine in se pridruži pozitivnim in nevtralnim molekulam. V tem primeru nastanejo nevtralne molekule in negativni ioni.
Imenuje se proces ponovne združitve nabitih delcev in tvorbe nevtralnih molekul rekombinacija.
Po prenehanju ionizacijskega vira se elektronska gostota zmanjšuje po hiperboličnem zakonu. Zato s sončnim zahodom ionizacija v spodnjih plasteh ionosfere ne izgine takoj, ampak v zgornjih plasteh vztraja vso noč.
4.2. Struktura ionosfere
Splošna slika porazdelitve elektronske gostote po višini h nad zemeljsko površino je prikazana na (sl. 4.1). Na nadmorski višini 250-400 km je glavni ionizacijski maksimum. Območje ionosfere pod glavnim ionizacijskim maksimumom se običajno imenuje notranja ionosfera, in območje ionosfere nad glavnim maksimumom - zunanja ionosfera. Najbolj raziskana je notranja ionosfera.
V notranji ionosferi je več nejasno izraženih maksimumov koncentracije elektronov, pogojno imenovanih plasti (regije), ki jih običajno označujemo s simboli D, E, F1 in F2. Območja ionosfere D, E in F1 imajo precej visoko konstantnost, kar se kaže v tem, da dnevna variacija gostote elektronov in višina njihove lokacije ostaneta skoraj nespremenjena. Z nastopom teme izgineta regiji D in F1 zaradi hitre rekombinacije. Hkrati koncentracija elektronov v E regiji ostane konstantna vso noč.
V območju F2 se koncentracija elektronov in višina maksimalne lokacije iz dneva v dan bistveno spreminjata. Hkrati je ionizacija poleti in pozimi različna. Pozimi (na severni polobli) se koncentracija elektronov v tem območju poveča. Dnevna sprememba gostote elektronov v območju F2 je odvisna tudi od geomagnetne širine (razdalje v ločnih stopinjah od Zemljinega magnetnega ekvatorja do točke opazovanja).
Ionosfera je nehomogena tudi v vodoravni smeri. Največje vodoravne gradiente elektronske gostote opazimo med sončnim zahodom in sončnim vzhodom, vendar so veliko manjši od navpičnih gradientov.
Skupaj z obravnavanimi pravilnimi območji ionosfere včasih na višini 95-125 km nastane tako imenovana sporadična plast E (plast), v kateri je koncentracija elektronov nekajkrat večja od koncentracije E regije. Plast na srednjih zemljepisnih širinah se v poletnih mesecih pogosteje oblikuje podnevi. V polarnih regijah se plast pojavlja predvsem ponoči.
Ker je sončno sevanje glavni vir ionizacije Zemljine atmosfere, je aktivnost Sonca odvisna
in proces ionizacije. Opaziti je, da se aktivnost Sonca spreminja s frekvenco 11 let. Merilo sončne aktivnosti je relativno število sončnih peg, ki označuje površino Sonca, ki ima najvišjo temperaturo. Trenutno so bile razvite metode za napovedovanje števila sončnih peg za več let naprej in natančneje za prihodnja leta. Napovedovanje števila sončnih peg je pomembno zaradi dejstva, da je elektronska gostota ionosfere povezana s povprečnim mesečnim številom sončnih peg. Največja elektronska gostota se poveča za 1,4-3-krat pri prehodu od minimuma do maksimuma sončne aktivnosti.
Pravilna plastna struktura ionosfere je občasno motena, te motnje pa povzroča sprememba aktivnosti Sonca, ki je še posebej pogosto opažena v letih največje sončne aktivnosti. Izbruhi, ki se občasno pojavljajo na Soncu, so vzrok za izbruh tokov nabitih delcev, ki vstopajo v zemeljsko atmosfero in motijo normalni režim ionizacije ionosfere. Struktura ionosfere je motena tudi pod vplivom procesov, ki se pojavljajo v zemeljski skorji in nižjih plasteh atmosfere, na primer med vulkanskimi izbruhi.
riž. 4.1. Elektronska distribucija
gostota nad višino atmosfere
Spremembo ionizacije spremlja sprememba zemeljskega magnetnega polja in ta pojav imenujemo ionosfersko – magnetno nevihte. Med ionosfersko-magnetno nevihto se elektronska gostota zmanjša v območju plasti F. Tovrstne kršitve lahko trajajo od nekaj ur do dveh dni in se pojavljajo predvsem v polarnih regijah.
Občasno se na Soncu pojavijo utrinki intenzivnega ultravijoličnega sevanja, ki povzročijo povečano ionizacijo spodnje ionosfere v plasti D. Ta pojav lahko traja od nekaj minut do nekaj ur in se pojavlja samo na osvetljeni strani zemeljske oble.
Študije so pokazale, da poleg rednih in neenakomernih sprememb v povprečnih vrednostih gostote elektronov v ionosferi obstajajo stalna nihanja gostote elektronov. Kondenzacije in redčenje ionizacijske gostote se nenehno pojavljajo v ionosferi, neenakomerno tako v času kot od točke do točke. Poleg tega se pod vplivom vetrov premika celotna nehomogena struktura ionosfere. Razloga za nastanek nehomogenosti v ionosferi sta turbulentno gibanje zraka in nehomogenost ionizacije.
Heterogenosti so nekatera področja z elektronsko gostoto, ki se razlikuje od povprečne vrednosti elektronske gostote na določeni višini ionosfere. Dimenzije nehomogenosti na višini 60-80 km v plasti D so do nekaj deset metrov, na višini plasti E - 200-300 m, v plasti F pa velikost nehomogenosti doseže nekaj kilometrov in imajo podolgovato obliko in so podolgovate vzdolž silnic stalnega magnetnega polja.
Odstopanje elektronske gostote nehomogenosti od povprečne vrednosti elektronske gostote na določeni višini je (0,1 - 1) %; hitrost kaotičnega gibanja je 1-2 m/s.
4.3. Dielektrična prepustnost in prevodnost ioniziranega plina (plazme)
Relativna prepustnost ioniziranega plina se razlikuje od enote zaradi dejstva, da pod delovanjem električnega polja oddanega valovanja elektroni dobijo premik glede na ravnotežni položaj in plin je polariziran. Poleg elektronov vsebuje ionosfera ione in nevtralne molekule, ki izvajajo naključno toplotno gibanje. Elektroni ob trku s težkimi delci prenašajo energijo, ki jo prejmejo iz elektromagnetnega valovanja. Pri trkih se ta energija pretvori v energijo toplotnega gibanja težkih delcev, kar povzroči absorpcijo radijskih valov v ioniziranem plinu.
Dielektrična prepustnost in specifična prevodnost ioniziranega plina sta določeni z izrazi
kjer je masa elektrona (9,109 10 -31 kg); e - naboj elektrona (1,60 10 -19 C); - število trkov elektrona s težkimi delci, ki se zgodijo v 1 s, določeno s toplotnim gibanjem delcev; Ne - elektronska gostota, cm -3.
Pri visokih frekvencah, ko je 2 >> 2, lahko vrednost 2 zanemarimo v primerjavi z 2 . Nato lahko zapišemo izraze za c, ob upoštevanju zamenjave številskih vrednosti e v njih:
Z uporabo frekvence elektromagnetnega valovanja (kHz) je priročno zapisati formulo za e v naslednji obliki:
To je osnovna formula za izračun za določanje relativna prepustnost ioniziranega plina. Očitno je, da se lahko prepustnost plina pri pomembni gostoti elektronov izkaže za nič.
Frekvenca, pri kateri je izpolnjen pogoj e = 0,
klical naravna frekvenca ioniziranega plina ali Langmuirjeva frekvenca in je parameter ioniziranega plina, primeren za ocenjevanje pogojev širjenja radijskih valov.
Izraz (4.3) lahko prepišemo drugače z uporabo koncepta naravne frekvence ioniziranega plina:
pri< 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. Hitrost širjenja radijskih valov v ioniziranem
plin (plazma)
Dielektrična konstanta ioniziranega plina je manjša od enote in je odvisna od frekvence nihanja, zato je hitrost širjenja radijskih valov v ioniziranem plinu odvisna od delovne frekvence. Imenujejo se okolja, v katerih je hitrost širjenja radijskih valov odvisna od frekvence razpršitev. V disperzivnih medijih ločimo fazne in skupinske hitrosti širjenja radijskih valov. Hitrost valovne fronte imenujemo fazna hitrost. Fazna hitrost za medije, ki se po svojih lastnostih približujejo dielektriku, je določena z (2.6). Zato je za ioniziran plin, brez upoštevanja izgub, v skladu z izrazom (4.5)
(4.6)
Fazna hitrost valovanja v ioniziranem plinu je večja od hitrosti svetlobe v prostem prostoru. Hitrost širjenja signala pa ne more biti večja od hitrosti svetlobe v prostem prostoru. Signali končnega trajanja, ki vsebujejo več popolnih period nihanja (skupina valov), se širijo s skupinsko hitrostjo. Harmonične komponente signala v disperzivnem mediju se širijo z različnimi faznimi hitrostmi, kar vodi do popačenja signala.
Spodaj skupinska hitrost razumeti hitrost širjenja največje ovojnice signala. Skupinska hitrost je povezana s fazno hitrostjo z razmerjem za ioniziran plin
Ko se delovna frekvenca približa naravni frekvenci ioniziranega plina (à), se skupinska hitrost zmanjša (à0), fazna hitrost pa se močno poveča ().
4.5. Absorpcija radijskih valov v ioniziranem plinu (plazmi)
Koeficient slabljenja radijskih valov v ioniziranem plinu je določen z (2.2) tako, da vanj nadomestimo vrednosti e iz (4.1) in g iz (4.2).
Absorpcija radijskih valov je povezana s trki elektronov z molekulami in ioni ter prehodom elektromagnetne energije v toplotno energijo gibanja težkih delcev. Pri tem procesu je pomembno razmerje med periodo elektromagnetnega nihanja (T=1/) in povprečnim časom med dvema trkoma elektrona z molekulami ali ioni. Pri nizkih frekvencah pri T> se energija elektromagnetnega valovanja prenaša od elektrona do težkega delca v majhnih delih, pri 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.
riž. 4.3. Shema odboja radijskih valov od ionosfere
4.6. Lom in odboj radijskih valov v ionosferi
Opazna elektronska gostota se pojavi v atmosferi od višine približno 60 km. Poleg tega se elektronska gostota ionosfere spreminja glede na višino nad zemeljsko površino in posledično električne lastnosti ionosfere niso enakomerne po višini.
Ko se radijski val širi v nehomogenem mediju, je njegova pot ukrivljena. Pri dovolj visoki elektronski gostoti je lahko ukrivljenost valovne poti tako močna, da se val vrne na zemeljsko površino na določeni razdalji od mesta sevanja, to je, da se radijski val odbije v ionosferi.
Odboj radijskih valov, poslanih z zemeljskega površja v ionosfero, se ne pojavi na meji zračno ioniziranega plina, temveč v debelini ioniziranega plina. Do odboja lahko pride samo v tistem delu ionosfere, kjer dielektrična prepustnost pada z višino in posledično z višino narašča elektronska gostota, to je pod največjo elektronsko gostoto ionosferske plasti.
Pogoj odboja povezuje vpadni kot valovanja na spodnjo mejo ionosfere z dielektrično prepustnostjo v debelini same ionosfere e n na višini, kjer se valovi odbijajo (slika 4.3):
Večja kot je vrednost N e, manjši so možni odbojni koti. Imenuje se kot, pod katerim je odboj pod danimi pogoji še mogoč kritični kot.
Iz izraza (4.8) je mogoče določiti delovno frekvenco, pri kateri se valovi odbijajo od ionosfere v primeru dane elektronske gostote in vpadnega kota:
Če val normalno vpada v ionosfero, potem
Pri normalnem vpadu vala pride do odboja na višini, kjer je delovna frekvenca enaka lastni frekvenci ioniziranega plina in je torej e=0. Pri poševnem vpadu se na tej višini lahko odbijejo radijski valovi višje frekvence. Tako imenovani zakon sekante, ki je sestavljen iz dejstva, da se s poševnim vpadom val odbije s frekvenco, ki je sekund-krat večja od frekvence valovanja, ki se odbija, ko val navpično vpada na plast dane gostote elektronov:
Večja kot je gostota elektronov, pri višjih frekvencah je izpolnjen pogoj odboja.
Največja frekvenca, pri kateri se val odbije v primeru navpičnega vpada na ionosfersko plast, se imenuje kritično
pogostost; odboj se pojavi blizu ionizacijskega maksimuma plasti:
Sferičnost Zemlje omejuje največji kot q (slika 4.3)
in posledično največje frekvence radijskih valov, ki se lahko odbijejo od ionosfere pri določeni gostoti elektronov.
4.7. Vpliv konstantnega magnetnega polja na električne parametre ioniziranega plina (plazme)
Ionizirani plin ionosfere je v stalnem magnetnem polju, katerega jakost je =40 A/m.
V prisotnosti konstantnega magnetnega polja se spremenijo pogoji za gibanje elektronov, zaradi česar se spremenijo tudi električni parametri ioniziranega plina.
Dielektrična konstanta ioniziranega plina v primeru vzdolžnega širjenja, ko se val širi v smeri silnic konstantnega magnetnega polja, brez upoštevanja izgub (= 0), se določi s formulo
Linearno polariziran val razpade na dve krožno polarizirani komponenti, ki se širita z različnimi hitrostmi, kar je označeno z različnimi predznaki v (4.13).
Pri vzdolžnem širjenju radijskih valov se polarizacijska ravnina vrti - vektor se vrti v ravnini, ki je pravokotna na smer širjenja valov za kot
(4.14)
kjer je r pot, ki jo prepotuje val v ionosferi.
Ta pojav se imenuje Faradayev učinek.
V drugačnem primeru prečnega širjenja, ko je smer širjenja valov pravokotna na smer silnic konstantnega magnetnega polja, valovanje razpade na navadne in izredne komponente.
Za vsakdanji komponento
in širjenje poteka na enak način kot v odsotnosti konstantnega magnetnega polja.
Za izredni komponento
Po prehodu določene razdalje v ionosferi v prisotnosti stalnega magnetnega polja se glavna os valovne polarizacijske elipse zavrti za kot, ki ga določa (4.14). Navadne in izredne komponente se odbijajo na različnih višinah v ionosferi. Za odraz izjemne komponente je potrebna nižja elektronska gostota. Kritična frekvenca izredne komponente je višja od običajne:
ki se uporablja v praksi radijskih zvez.
Eksperimentalno raziskovanje ionosfere poteka predvsem s pomočjo radijskih metod, to je s proučevanjem pogojev za prehod in odboj radijskih valov v ionosferi.
4.8. Vprašanja za samopregledovanje
1. Navedite vire ionizacije plinov v ionosferi. Kateri vir je glavni?
2. Kateri proces imenujemo rekombinacija?
3. Pojasnite strukturne značilnosti ionosfere.
4. Zapišite izraz za določanje dielektrične konstante ioniziranega plina, ga razložite.
5. Zakaj imajo elektroni veliko večji vpliv na širjenje radijskih valov kot ioni?
6. Kako se spremeni prevodnost ioniziranega plina, če se elektronska gostota podvoji?
7. Katero frekvenco imenujemo lastna frekvenca ioniziranega plina?
8. Ali je mogoč valovni proces v mediju, kjer je relativna prepustnost manjša od nič?
9. Kateri mediji se imenujejo disperzivni?
10. Pokažite, da je ionizirani plin disperzivni medij.
11. Kakšna je oblika grafa frekvenčne odvisnosti absorpcijskega koeficienta radijskih valov v ionosferi?
12. Navedite značilnosti loma in odboja radijskih valov v ionosferi.
13. Val je v ioniziranem plinu prepotoval nekaj razdalje v smeri silnic stalnega magnetnega polja. Kakšne spremembe so nastale v strukturi valovnega polja?
14. Katere komponente električnega polja lahko obstajajo v ioniziranem plinu, če je smer širjenja valov normalna na smer silnic konstantnega magnetnega polja?
5. ZNAČILNOSTI ŠIRJENJA RADIJSKIH VALOV V RAZLIČNIH PASOVIH
5.1 Značilnosti širjenja superdolgih in dolgih valov
Razpon ultra dolgih valov (VLW) vključuje valove z dolžino
10.000 do 100.000 m (= 30 3 kHz) in do dolgih valov (LW) - valovi od 1000 do 10.000 m (= 300 30 kHz).
Prevodni tokovi za območja LW in DW bistveno prevladujejo nad tokovi izpodrivanja za vse vrste zemeljske površine. Zato med širjenjem površinskega valovanja pride le do rahlega prodiranja njegove energije v globino Zemlje. Sferičnost Zemlje, ki služi kot ovira za pravokotno širjenje radijskih valov, ostaja sorazmerna z valovno dolžino do razdalj 1000-2000 km, kar prispeva k dobremu zaokroževanju globusa z dolgimi valovi zaradi uklona. Neznatne izgube in zaokroževanje zemeljskega površja so omogočile širjenje DW in LW kot talnega vala na razdaljo do 3000 km. V tem primeru je za razdaljo 500-600 km moč električnega polja mogoče določiti z (2.15), za velike razdalje pa se izračun izvede v skladu z zakoni difrakcije.
Od razdalje 300-400 km se poleg zemeljskega vala pojavi val, ki se odbija od ionosfere. Z naraščajočo razdaljo se električna poljska jakost valov, ki se odbijejo od ionosfere, povečuje, na razdaljah 700-1000 km pa se polja zemeljskih in ionosferskih valov približno izenačijo. Superpozicija teh dveh valov daje interferenčni vzorec polja.
Na razdalji več kot 3000 km se DW in LWW širita samo z ionosferskim valovanjem. Za odboj dolgih valov zadostuje nizka elektronska gostota, tako da se podnevi lahko ti valovi odbijejo na spodnji meji plasti D, ponoči pa na spodnji meji plasti E. Prevodnost v tem območju ionosfera za DW je precejšnja (vendar tisočkrat manjša od prevodnosti suhe zemeljske površine) in izkaže se, da so prevodni tokovi istega reda kot tokovi izpodrivanja. Posledično ima spodnji del ionosfere za DW lastnosti polprevodnika.
Na DW in še posebej na LWW se elektronska gostota plasti D in E močno spreminja po dolžini valovne dolžine. Zato pride do odboja kot na vmesniku zrak-polprevodnik, brez prodiranja radijskega valovanja v debelino ioniziranega plina. To je razlog za šibko absorpcijo DW in LWW v ionosferi.
Razdalja od zemeljskega površja do spodnje meje ionosfere je 60-100 km, tj. istega reda kot valovna dolžina (LW in LW), tako da se valovanje širi med dvema tesno razmaknjenima polprevodnima koncentričnima kroglama, eno od tega je Zemlja, drugi pa ionosfera. Pogoji širjenja so v tem primeru približno enaki kot v dielektričnem valovodu (slika 5.1).
Kot pri vsakem valovodu lahko opazimo optimalni valovi so valovi, ki se širijo z najmanjšim slabljenjem, in kritični val. Za valovod, ki ga tvorita Zemlja in ionosfera, so optimalni valovi dolžine 25–35 km, kritični pa valovi dolžine 100 km. Tako kot zakoni širjenja radijskih valov v običajnih valovodih tudi v sferičnem ionosferskem valovodu fazna hitrost radijskih valov presega hitrost svetlobe v prostem prostoru. Pri frekvencah nad 10 kHz je razlika med fazno hitrostjo in hitrostjo svetlobe majhna, približno () - 1 = (1 5) 10 -3 . Vendar se fazna hitrost spreminja z razdaljo od oddajnika. Poleg tega je odvisna od gostote elektronov in števila trkov elektronov z molekulami v območju ionosfere, kjer se radijski valovi odbijajo. To vodi do nestabilnosti valovne faze, predvsem v jutranjih in večernih urah, ko se spreminja višina odboja dolgih valov, kar je treba upoštevati pri delovanju dolgovalovnih radionavigacijskih sistemov. Izračun električne poljske jakosti Em (mV/m) za DW in LW se izvede po Austinova empirična formula:
kjer je r razdalja vzdolž velikega kroga Zemlje, km; q je središčni kot, ki ustreza tej razdalji; P - moč oddajnika, kW; l - valovna dolžina, km.
riž. 5.1. Distribucija DV in ADD v
valovod Zemlja - ionosfera
riž. 5.2. Bližnje in daljno bledenje na srednjih valovih:
1 - talni val; 2 – enkrat odbit val od ionosfere; 3 - val se odbije od ionosfere dvakrat
Austinova formula je uporabna za razdalje do 16.000–18.000 km nad morjem in kopnim, v slednjem primeru pa začenši z razdaljami 2000–3000 km.
Dolgi in še posebej ultradolgi valovi se pri prehodu v kopno ali morje malo absorbirajo. Tako lahko valovi dolžine 20-30 km prodrejo več deset metrov globoko v morje (glej tabelo 2.1) in se zato lahko uporabljajo za komunikacijo s potopljenimi podmornicami, pa tudi za podzemno radijsko komunikacijo.
Glavna prednost DW je večja stabilnost električne poljske jakosti: moč signala se čez dan in skozi leto malo spreminja in ni podvržena naključnim spremembam. Zahtevano jakost električnega polja za sprejem je mogoče doseči na razdalji več kot 20.000 km, vendar to zahteva močne oddajnike in zajetne antene.
Pomanjkljivost razponov LW in VLF je, da jih ni mogoče uporabiti za prenos visokokakovostnega pogovornega govora ali glasbe, še bolj pa slike, saj to zahteva širok frekvenčni pas. Trenutno se LW in LWW uporabljata predvsem za telegrafsko komunikacijo na dolge razdalje, pa tudi za navigacijo in opazovanje neviht.
V LW in LWB pasovih je najmočnejši atmosferski šum, katerega vir so nevihte. Med razelektritvijo strele nastane močan tokovni impulz, ki ima aperiodični značaj ali značaj dušenih nihanj in ima trajanje
0,1 3 ms. Takšen impulz ustvari zvezen spekter frekvenc z maksimumom v območju 3-8 kHz, ki pade v območju visokih frekvenc po zakonu 1/ . V primeru, ko motnjo povzroči nevihta, ki se pojavi v bližini sprejemne točke (lokalna nevihta), se moč interferenčnega polja zmanjšuje obratno sorazmerno s frekvenco. Vendar pa so glavni vir motenj nevihte, ki se pojavljajo skozi vse leto v ekvatorialnih območjih sveta - središčih nevihtne dejavnosti. Frekvenčna odvisnost jakosti motenj, ki jih ustvarjajo središča nevihtne aktivnosti, je drugačna kot pri lokalnih nevihtah, saj jo določajo tudi pogoji za širjenje radijskih valov od mesta motnje do točke sprejema.
Radijski valovi različnih dolžin, ki nastanejo med razelektritvijo strele, se širijo podobno kot valovi v svojem območju. Kvantitativni opis časovnih in geografskih sprememb ravni atmosferskega hrupa je izdelan s statističnimi metodami na podlagi rezultatov obdelave dolgoletnih merilnih podatkov. Za vsako sezono v letu in za šesturne intervale časa so zemljevidi sestavljeni z izolinijami srednjih vrednosti jakosti atmosferskega hrupa pri frekvenci 1 MHz. Zbrani so tudi podatki o statistični porazdelitvi trenutnih vrednosti poljske jakosti atmosferskih motenj, iz katerih je določena verjetnost pojava velikih emisij motenj.
5.2. Značilnosti širjenja srednjih valov
Srednjevalovno območje (MW) vključuje radijske valove l = 100 1000 m (= 0,34 3 MHz). Obseg CB se uporablja za radijsko oddajanje, radijsko navigacijo, radiotelegrafijo in radiotelefonske komunikacije; SW se lahko širi tako s prizemnimi kot z ionosferskimi valovi.
Moč električnega polja zemeljskih valov se določi za majhne razdalje v skladu z (2.15), za velike razdalje pa - po zakonih uklona. SW doživljajo znatno absorpcijo v polprevodniškem površju Zemlje, zato je območje širjenja zemeljskega valovanja omejeno na razdaljo 1000 km. Upoštevati je treba tudi, da neravnine zemeljske površine zmanjšujejo efektivno prevodnost tal. Približno za ravninski teren = (0,5 0,7) , za hribovit = (0,15 0,2) , za območja z večno zmrzaljo.
SW se na velike razdalje širijo samo ponoči z odbojem od E plasti ionosfere, katere elektronska gostota je za to zadostna. Podnevi se na poti širjenja SW nahaja plast D, ki izjemno močno absorbira energijo teh valov. Zato pri običajno uporabljenih močeh oddajnika električna poljska jakost na velikih razdaljah ni zadostna za sprejem, podnevi pa se širjenje SW dogaja praktično samo s zemeljskim valovanjem.
Absorpcija v območju SW narašča s krajšanjem valovne dolžine in moč električnega polja ionosferskega valovanja je večja pri daljših valovnih dolžinah. Absorpcija se poveča v poletnih mesecih in zmanjša v zimskih mesecih. Ionosferske motnje ne vplivajo na širjenje SW, saj je plast E med ionosferskimi magnetnimi nevihtami malo motena.
Zbledenje na srednjih valovih opazimo le ponoči, ko je na določeni razdalji od oddajnika možno, da tako prostorski kot površinski valovi dosežejo točko B (slika 5.2), dolžina poti prostorskega vala pa se spreminja s spremembo elektronska gostota ionosfere. Sprememba fazne razlike teh valov povzroči nihanje jakosti električnega polja v času, imenovano skoraj zbledi. Na precejšnji razdalji od oddajnika (točka C) lahko valovi pridejo z enim ali dvema odbojema od ionosfere. Sprememba fazne razlike teh dveh valov povzroči tudi nihanje poljske jakosti, imenovano daleč bledi. Stopnja bledenja je nizka (obdobje bledenja je 1 - 2 minuti).
Za boj proti bledenju na oddajnem koncu radijske povezave se uporabljajo antene z vzorci sevanja, pritisnjeni na zemeljsko površino. S takšnim vzorcem sevanja se območje bližnjega zbledenja odmika od oddajnika, na velikih razdaljah pa oslabi polje valovanja, ki je prišlo z dvema odbojema.
Poljska jakost ionosferskega valovanja na razdaljah >300 km je določena iz grafov, dobljenih kot rezultat obdelave velikega števila opazovanj.
5.3. Značilnosti širjenja kratkih valov
Območje kratkih poli (KB) vključuje valove dolžine od 10 do 100 m (= 30 3 MHz). Valovi v območju KB se zaradi močne absorpcije na zemeljskem površju in slabih uklonskih pogojev širijo z zemeljskim valom do razdalje največ 100 km. Izračun poljske jakosti zemeljskega vala je treba izvesti v skladu z (2.15).
Ionosferski val KB se širi na več tisoč kilometrov. V tem primeru je mogoče uporabiti usmerjene antene in oddajnike ne zelo velike moči. Zato se KB uporabljajo predvsem za komunikacijo in oddajanje na velike razdalje.
Širjenje HF z ionosferskim valovanjem nastane z zaporednim odbojem od plasti F (včasih plasti E) ionosfere in zemeljskega površja. V tem primeru valovi prehajajo skozi spodnji del ionosfere - plasti E in D, v katerih se absorbirajo (slika 5.3, a). Za izvajanje radijske komunikacije na HF morata biti izpolnjena dva pogoja: valovanje se mora odbijati od ionosfere in jakost elektromagnetnega polja na določenem mestu mora biti zadostna za sprejem, to je absorpcija valovanja v plasti ionosfere ne smejo biti prevelike. Ta dva pogoja omejujeta obseg uporabnih delovnih frekvenc.
Za odboj valovanja je potrebno, da delovna frekvenca ni previsoka, elektronska gostota ionosferske plasti pa zadostna za odboj tega vala v skladu z (4.9). Iz tega pogoja se izbere največja veljavna frekvenca (MUF), ki je zgornja meja delovnega območja.
Drugi pogoj omejuje območje delovanja od spodaj: nižja kot je delovna frekvenca (znotraj kratkovalovnega območja), močnejša je absorpcija valovanja v ionosferi (glej sliko 4.2). Najnižja uporabna frekvenca (LPF) je določena iz pogoja, da mora biti za dano moč oddajnika jakost elektromagnetnega polja zadostna za sprejem.
Elektronska gostota ionosfere se čez dan in med letom spreminja. To pomeni, da se spreminjajo tudi meje območja delovanja, kar vodi do potrebe po spremembi delovne valovne dolžine podnevi: podnevi delujejo pri valovih 10-25 m, ponoči pa pri valovih 35-100 m. Potreba po pravilni izbiri valovne dolžine za komunikacijske seje ob različnih časih otežuje načrtovanje postaje in delo operaterja.
Območje tišine KB se imenuje obročasto območje, ki obstaja na določeni razdalji od oddajne postaje, znotraj katerega je nemogoče sprejemati radijske valove. Pojav območja tišine je razložen z dejstvom, da se talni val oslabi in ne doseže tega območja (točka B na sliki 5.3, a), za ionosferske valove, ki vpadajo pod majhnimi koti na ionosfero, pa so odbojni pogoji ( 4.9) niso izpolnjeni. Meje območja tišine (BC) se širijo s skrajšanjem valovne dolžine in zmanjšanjem elektronske gostote.
riž. 5.4. Sipanje kratkih valov daleč od tal
Feding v pasu HF je globlji kot v pasu MW. Glavni vzrok bledenja je interferenca žarkov, ki se širijo z enim ali dvema odbojema od ionosfere (slika 5.3, a). Poleg tega je bledenje posledica sipanja radijskih valov na nehomogenosti ionosfere in motenj razpršenih valov (slika 5.3, b), pa tudi motenj navadnih in izrednih komponent magnetno razcepljenega vala. (Sl. 5.3, c). Obdelava meritev v kratkih časovnih intervalih (do 5 min) je pokazala, da so funkcije porazdelitve amplitude blizu Rayleighove porazdelitve. V velikih intervalih opazovalnega časa je porazdelitev bližje log-normalni. Za boj proti bledenju se uporablja antenski različni sprejem.
Signali, prejeti na antenski diverziji, se po zaznavi dodajo. Učinkovita je polarizacijska raznolikost - sprejem na dveh antenah, ki imata medsebojno pravokotno polarizacijo. Uporabljajo se tudi sprejemne antene z ozkim vzorcem sevanja, ki so usmerjene na sprejem le enega od žarkov.
V ugodnih pogojih razmnoževanja lahko življenjepisi enkrat ali večkrat obkrožijo svet. Takrat lahko poleg glavnega signala sprejmemo še drugi signal, ki ima zakasnitev približno 0,1 s in se imenuje radijski odmev. Radijski odmev ima moteč učinek na meridionalne črte. Kratki valovi med širjenjem doživljajo sipanje v tleh (slika 5.4). Vsa energija valovanja, ki pade na neravno zemeljsko površino (žarek 1), se ne odbije zrcalno, del se je razprši v različne smeri (žarki 2, 3, 4, 5). V tem primeru se del energije, ki se odbija od ionosfere, vrne na mesto sevanja radijskega valovanja (žarek 5). Povratno sipane valove lahko sprejmemo na točki emisije, kar kaže na možnost, da radijski valovi določene frekvence prehajajo po poti. Ta pojav se imenuje Kabanov učinek, se uporablja za korekcijo delovnih frekvenc: pred začetkom prenosa se na izbrani delovni frekvenci pošljejo signali z pulzno modulacijo. Glede na časovni zamik in popačenje nazaj sipanih impulzov se presoja pravilna izbira delovne frekvence.
Izračun KB komunikacijskih linij je razdeljen na dve stopnji: določitev dnevne variacije največjih uporabnih frekvenc (MUF) in optimalnih delovnih frekvenc (ORF); določanje jakosti električnega polja na mestu sprejema ali določanje dnevnega variiranja najnižjih uporabnih frekvenc (LLF).
5.4. Značilnosti širjenja ultrakratkih valov v površinskem prostoru
Splošne lastnosti. Razpon ultrakratkih valov (VHF) vključuje radijske valove dolžine od 10 m do 1 mm (= 30 MHz Z 10 5 MHz). V spodnji frekvenčni meji meji VHF območje na HF. Ta meja je določena z dejstvom, da na VHF praviloma ni mogoče izpolniti pogoja odboja radijskih valov od ionosfere (4.8). V zgornji frekvenčni meji VHF meji na dolge infrardeče valove. VHF območje je razdeljeno na podobmočja metrskih, decimetrskih, centimetrskih, milimetrskih valov., od katerih ima vsaka svoje značilnosti širjenja, vendar so glavne določbe značilne za celotno območje VHF. Pogoji razširjanja so odvisni od dolžine komunikacijske linije in posebnosti poti.
Zaradi kratke dolžine VHF-ji slabo difraktirajo okoli sferične površine Zemlje in velikih nepravilnosti na zemeljski površini ali drugih ovir. Antene so običajno nameščene na precejšnji višini nad zemeljsko površino, ker se, prvič, poveča vidna razdalja (glej (2.11), (3.5)) in, drugič, zaščitni učinek lokalnih predmetov, ki se nahajajo v bližini antene. zmanjša. V tem primeru je praviloma izpolnjen pogoj, pri katerem je višina antene veliko večja od valovne dolžine in se lahko izračun poljske jakosti izvede z interferenčnimi formulami (2.12), (2.13). Če ta pogoj ni izpolnjen (prenosne ali avtomobilske postaje, ki delujejo na metrskih valovih), se izračun izvede po (2.15).
V VHF območju lahko zemeljsko površje obravnavamo kot idealen dielektrik, prevodne lastnosti zemeljskega površja pa je treba upoštevati le pri širjenju metrskih valov nad morsko gladino. Zato sprememba prevodnih lastnosti tal (sprememba vsebnosti vlage) praktično ne vpliva na širjenje ultrakratkih valov. Toda glede na (2.9) že majhne nepravilnosti zemeljske površine bistveno spremenijo pogoje za VHF odboj od zemeljske površine.
Porazdelitev VHF v vidnem polju. Odboj od zemeljske površine. Na razdaljah, veliko manjših od meje vidnega polja (3,5), lahko zanemarimo vpliv sferičnosti Zemlje in vpliv loma radijskih valov v troposferi. Značilnosti VHF razširjanja v tem primeru sta velika stabilnost in nespremenljivost nivoja signala v času pri stacionarnih oddajniku in sprejemniku. Izračun poljske jakosti se lahko izvede po formuli Vvedenskega (2.14), če so izpolnjeni pogoji za uporabnost te formule.
Na radijski povezavi Zemlja - letalo ali med radarskim opazovanjem letala signal niha zaradi spremembe kota opazovanja, ko se letalo premika, in nepravilnosti vzorca sevanja sistema oddajnik - Zemlja (glej sliko 2.8).
Na razdaljah znotraj 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.
radarski odboji. VHF odboji od neravne zemeljske površine so v radarski tehnologiji še posebej pomembni. V osnovi so difuzne narave, del odbite energije pa je usmerjen proti viru. Takšni odboji se največkrat imenujejo moteči signali, ki otežujejo prepoznavanje uporabnih radarskih ciljev. Vendar se odboji od tal do vira uporabljajo pri opazovanju zemeljskega površja iz zraka, kot je višinometrija.
Naključne vrednosti amplitude signala, ki ga oddaja premikajoči se radar (na primer iz letala) in se odbija od zemeljske površine, upoštevajo Rayleighov zakon. Le pri odboju od mirne vode in ravnih območij puščave obstaja konstantna komponenta in porazdelitveni zakon amplitud ustreza splošnemu Rayleighovemu zakonu. Korelacijska funkcija signala je opisana z eksponentnim zakonom, korelacijska lestvica pa je odvisna tako od višine nepravilnosti kot od hitrosti vira.
VHF razširjanje po neravnem terenu in v mestih. Na VHF komunikacijski liniji so običajno večje ali manjše nepravilnosti, ki vplivajo na širjenje radijskih valov. Na splošno tega učinka ni mogoče upoštevati. Za izračun jakosti električnega polja v vsakem posameznem primeru je treba zgraditi profil poti in, odvisno od narave tega profila, izvesti izračun po eni ali drugi metodi. Oglejmo si nekaj primerov profilov sledenja.
Pot poteka čez manjše položne griče. V (sl. 5.5, a) je prikazan profil poti, v katerem je oddajna antena nameščena na položnem pobočju. V tem primeru lahko direktni žarek AB in trije odbiti žarki i pridejo do sprejemne antene. Pri izračunu električne poljske jakosti je treba upoštevati fazno razliko teh žarkov zaradi razlike poti in različnih odbojnih pogojev v točkah, u. Kot rezultat obravnave takšne slike lahko dobimo izraz za izračun poljske jakosti, podoben interferenčnim formulam, vendar bolj zapleten. Slika 5.5b prikazuje profil s hribom na sredini poti. V najpreprostejšem primeru samo en žarek pride do točke B in se odbije v točki C. Za izračun takšne poti je priročno uvesti koncept zmanjšane višine antene h 1pr in H 2pr in zmanjšajte problem na dobro znani primer širjenja radijskih valov preko fiktivne ravnine, ki se dotika Zemljine površine v točki odboja.
riž. 5.6. VHF razširjanje na poti z oviro, odprte in zaprte poti ( a); odvisnost od množitelja
oslabitev V od parametra z(b)
riž. 5.7. Shema poti z "ojačitveno oviro"
Pot, ki poteka čez visok hrib ali gorovje. Za približno določitev jakosti polja na poti z visokim hribom ali gorovjem lahko uporabimo teorijo uklona elektromagnetnega valovanja na neprozornem klinastem zaslonu. Če ovira ne blokira vidnega polja med antenama, se pot kliče odprto; ko se ovira dvigne nad vidno črto, se proga imenuje zaprto(Sl. 5.6, a).
Če ovira vsaj delno prekriva prvo Fresnelovo cono (1,5), se intenziteta elektromagnetnega polja na poti spremeni. Pri uporabi visoko usmerjenih anten izsevani valovi ne padejo na ravna področja zemeljske površine, poljska jakost za oviro pa je določena s formulo Em = Em c in V, kjer se E m c in nahaja v skladu z (1.1).
Faktor slabljenja V je odvisen od valovne dolžine in "zračnosti" d, ki velja za pozitivno za zaprto pot in negativno za odprto pot. Slika 5.6b prikazuje odvisnost faktorja slabljenja V od parametra z:
Fenomen, imenovan ojačitev z oviro. Ta pojav je sestavljen iz dejstva, da je intenziteta elektromagnetnega polja radijskega valovanja na določeni razdalji za oviro večja kot na enaki razdalji od oddajnika na poti brez ovir. Eden od načinov za razlago ojačanja z oviro je, da vrh gore služi kot naravni pasivni repetitor (slika 5.7). Polje, ki vzbuja vrh gore, je sestavljeno iz dveh valov - neposrednega AC in odbitega ADC. Valovi se na ostrem vrhu gore razbijejo kot na klinasti oviri in se širijo v območje za goro. V tem primeru bosta dva žarka NEB in CB prišla na lokacijo sprejemne antene B. Posledično je na odsekih poti oddajnik - gora in gora - sprejemnik razširjanje znotraj vidnega polja. V odsotnosti ovire na razdalji 100-150 km, ki daleč presega mejo vidnega polja, le zelo šibko polje zaradi uklona na sferični površini Zemlje in loma doseže sprejemno točko. Izračuni in poskusi kažejo, da lahko takšna ovira - repetitor povzroči povečanje električne poljske jakosti za 60-80 dB.
Uporaba pojava ojačanja ovir je ekonomsko koristna, saj odpade potreba po namestitvi visokogorskih relejnih postaj.
Na nekaterih radijskih relejnih linijah, ki potekajo po ravnem območju, je zgrajena umetna ojačitvena ovira v obliki mreže ali sistema žic, ki daje moč in omogoča zmanjšanje višine antenskih drogov.
Distribucija VHF znotraj velikega mesta. Na veliko mesto lahko gledamo kot na zelo razgibano območje. Številni poskusi so pokazali, da je poljska jakost metrskih in decimetrskih valov v mestu v povprečju manjša kot na odprtih območjih, približno 3-5-krat. Zato je mogoče grobo oceniti povprečno raven poljske jakosti teh valov v skladu z (2.14), pri čemer vanj uvedemo faktor 0,2-0,4. V območju centimetrskih valovnih dolžin je slabljenje še močnejše.
Če med oddajno in sprejemno anteno obstaja neposredna vidna črta, se lahko izračun izvede v skladu z (2.14), višino antene pa je treba šteti od povprečne ravni streh.
V zaprtih prostorih je struktura polja še bolj zapletena in skoraj nemogoča za izračunavanje. Meritve poljske jakosti znotraj prostorov so pokazale, da je v prostorih zgornjih nadstropij poljska jakost 10-40% poljske jakosti nad streho, v prvem nadstropju pa 3-7% te vrednosti.
Širjenje VHF na velike razdalje v pogojih superrefrakcije. Na razdaljah, ki presegajo razdaljo vidnega polja, se jakost polja radijskih valov močno zmanjša. Na teh razdaljah pride do širjenja zaradi uklona radijskih valov okoli sferične površine Zemlje, loma radijskih valov v troposferi in njihovega sipanja na nehomogenostih v troposferi.
Močno povečanje obsega širjenja VHF se pojavi, ko območje superrefrakcij zavzema znatne razdalje nad zemeljsko površino. V tem primeru se radijski valovi širijo z zaporednim menjavanjem dveh pojavov: loma v atmosferi in odboja od zemeljske površine. Ta vrsta širjenja valov se imenuje atmosferski valovod. Toda hkrati se le del valovne energije, ki se uporablja za sprejem, odbija od atmosfere, preostanek pa se lomi skozi zgornjo steno valovoda (slika 5.8). Za atmosferski valovod določene višine, po analogiji s kovinskim valovodom, obstaja določena kritična valovna dolžina. Valovi, daljši od kritičnega, hitro upadejo in se ne širijo. Kritična valovna dolžina l cr (m) je povezana z višino valovoda h v (m), razmerje
Višina atmosferskih valovodov h doseže več deset metrov, zato je širjenje valovodov možno le za centimetrske in decimetrske valove.
V pogojih valovodnega kanala se le najblažji žarki odbijajo od sten kanala, medtem ko strmejši žarki prodrejo skozi stene. Če sta oddajnik in sprejemnik znotraj valovoda, je VHF sprejem možen na velikih razdaljah. V nasprotnem primeru se lahko obseg sprejema celo zmanjša v primerjavi z običajnimi pogoji refrakcije.
Atmosferski valovod se pojavlja neenakomerno, zato je nemogoče zagotoviti stabilno radijsko komunikacijo na velikih razdaljah pri VHF valovodu. Toda ta pojav lahko povzroči ustvarjanje medsebojnih motenj postaj, ki delujejo v območju centimetrskih valov in so celo ločene na velike razdalje. Poleg tega lahko pojav atmosferskega valovoda moti delovanje radarskih postaj za zaznavanje letal. Na primer, letalo, ki leti nad atmosferskim valovodom, morda ne bo zaznano zaradi radijskih valov, ki se odbijajo od stene valovoda.
Sipanje VHF na nehomogenostih troposfere.Troposferske nehomogenosti so območja, kjer se prepustnost razlikuje od povprečne vrednosti za okoliško troposfero. Pod delovanjem polja oddanega valovanja se v vsaki nehomogenosti troposfere inducirajo polarizacijski tokovi in nastane električni moment. Zaradi tega nehomogenosti delujejo kot sekundarni emitorji. Sekundarno sevanje niza nehomogenosti lahko označimo z določenim vzorcem sevanja z maksimumom sevanja v smeri gibanja začetnega valovanja.
riž. 5.9. Diagram radijske povezave z uporabo troposferskega razprševanja
Polje, ki nastane v bližini zemeljske površine, je posledica interference polj, ki jih preseva veliko število nehomogenosti. Zaradi sprememb v strukturi in lokaciji nehomogenosti polje zvezno niha in je naključna funkcija časa. Narava porazdelitve trenutnih vrednosti nivoja signala je odvisna od povprečne ravni signala. Nižja kot je raven, bližje je zakon porazdelitve Rayleighovemu. Pri visokih nivojih signala so trenutne vrednosti njegove amplitude porazdeljene v skladu s posplošenim Rayleighovim zakonom, ki kaže na prisotnost na sprejemnem mestu poleg hitro spreminjajoče se komponente signala tudi počasi spreminjajoče se redne komponente, dobljene z odbojem od plastne nehomogenosti troposfere.
Delovanje komunikacijske linije, ki uporablja sipanje radijskih valov na nepravilnostih v troposferi, je mogoče razložiti na naslednji način. Kot rezultat presečišča v prostoru vzorcev sevanja oddajnih in sprejemnih anten, pogojno omejenih z ravnima črtama AD-AC 1 in BD-BC (slika 5.9), se oblikuje atmosferski volumen CDС 1 D 1, imenovan razpršilni volumen. Sodeluje pri prenosu radijskih valov od točke A do točke B. Za povečanje električne poljske jakosti na sprejemni točki se nagibajo k zmanjšanju kota med smerjo začetnega gibanja vala in smerjo do sprejemne točke. (kot q na sliki 5.9).
Značilnost obravnavanih komunikacijskih vodov je njihov ozek pas. Največja pasovna širina, ki jo je mogoče oddati brez popačenja, je določena z zakasnitvijo žarka AC1 glede na žarek AC1B, tj. širino antenskih vzorcev. Praktično s sprejemljivimi popačenji je mogoče oddajati frekvenčni pas 1-2 MHz.
Izračun moči na vhodu sprejemne antene na komunikacijski liniji z uporabo troposcatterja, ki so ga razvili sovjetski znanstveniki pod vodstvom B. A. Vvedenskega in M. A. Kolosova.
Za boj proti bledenju se sprejem izvaja na razmaknjenih (dveh ali štirih) antenah. Signali, prejeti na teh antenah, se po zaznavi dodajo.
Uporablja se tudi frekvenčna raznolikost, ko se iste informacije istočasno prenašajo na frekvenci 1 in frekvenci 2 = 1 + D in D / = (2 5) 10 -3 . Pojemanje pri teh dveh frekvencah ni povezano. Sprejet je najmočnejši od obeh signalov ali pa se signala dodata po zaznavi.
Sipanje in odboj metrskih valov v ionosferi. Za ionizirane plasti je značilna visoka nehomogenost. Prisotnost lokalnih volumetričnih nehomogenosti v ionosferi vodi do VHF sipanja, ki se dogaja podobno kot sipanje na nehomogenostih troposfere.
Sipanje radijskih valov se pojavi na nadmorski višini 70-90 km, kar omejuje največjo dolžino radijske povezave na razdaljo 2000-2300 km. Glavnina energije valovanja, ki vpade na ionosfero, se razprši v smeri začetnega gibanja valovanja. Večji kot je kot med smerjo sprejemne antene in smerjo začetnega gibanja valov, manjša je moč razpršenega signala. Zato je sprejem možen le na razdaljah več kot 800-1000 km. Poljska jakost razpršenega signala se zmanjšuje z naraščajočo delovno frekvenco, za komunikacijo pa so uporabni valovi s frekvenco 30-60 MHz. Signali s to vrsto radijske komunikacije na metrskih valovih so podvrženi hitremu in globokemu bledenju.
Sprejem z dvema antenama se uporablja za boj proti bledenju.
Velike prednosti radijske komunikacije z ionosferskim sipanjem metrskih valov v primerjavi s komunikacijskimi linijami na HF so možnost 24-urnega delovanja na eni delovni frekvenci in odsotnost motenj v komunikaciji. Te linije dosegajo večjo zanesljivost radiotelegrafskih komunikacij v subpolarnih območjih. Komunikacija na metrskih valovih pa zahteva uporabo oddajnikov z močjo okoli 10 kW in anten z ojačanjem 20-30 dB.
5.5. Značilnosti širjenja ultrakratkih valov v vesolju
Glavne vrste vesoljskih radijskih povezav. Vesoljske radijske povezave rešujejo naslednje glavne naloge:
prizemne radijske komunikacije in retransmisija oddajanja in televizijskih programov preko repetitorjev, ki se nahajajo na umetnih satelitih Zemlje;
radijska komunikacija vesoljskih plovil s posadko z Zemljo in med seboj;
radijsko spremljanje leta in kontrola letenja vesoljskih plovil;
prenos radiotelemetričnih informacij iz vesoljskega plovila (rezultati meritev načina delovanja opreme, parametrov leta, podatkov znanstvenih opazovanj);
raziskovanje vesolja, zbiranje meteoroloških in geodetskih podatkov.
Vesoljska radijska komunikacija vključuje tudi širjenje radijskih valov po poteh Zemlja-planet, med dvema planetoma, med dvema dopisnikoma, ki se nahajata na planetu.
Umetni zemeljski sateliti (AES) imajo trajektorije s tremi značilnimi odseki. Na začetnem, začetnem odseku trajektorije
satelit z nosilno raketo se s prižganimi motorji giblje v relativno gostih plasteh atmosfere. Tu se ločujejo izrabljene raketne stopnje. Na drugem odseku poti hitrost satelita nekoliko presega prvo kozmično hitrost, gibanje okoli Zemlje pa poteka po eliptični orbiti v zelo redki atmosferi. Tretji del poti ustreza vrnitvi satelita, njegovemu vstopu v goste plasti atmosfere. Sateliti, ki se ne vračajo, nimajo tretjega kraka poti.
Značilnosti radijske komunikacije v prvem in tretjem odseku trajektorije so posledica dejstva, da se v bližini satelita tvori kopičenje ioniziranega plina z visoko gostoto elektronov (nekaj vrst velikosti višje od gostote elektronov ionosfere). Vzrok za nastanek ionizacije v prvem odseku poti je vroči izpušni plin motorja, v tretjem odseku pa termodinamično segrevanje zraka, ko se satelit premika v gostih plasteh atmosfere (na nadmorski višini manj kot 100 stopinj). km) z nadzvočno hitrostjo.
Na prvem in tretjem odseku poti so razdalje od zemeljskih postaj do satelita majhne in širjenje radijskih valov poteka znotraj vidnega polja.
V drugem delu je odvisno od višine satelita in delovne valovne dolžine mogoča radijska komunikacija tako v vidnem polju kot zunaj njega. Na pogoje širjenja radijskih valov vplivajo troposfera in ionizirane plasti zemeljske atmosfere.
Vesoljsko plovilo ima trajektorijo, ki jo lahko razdelimo tudi na tri segmente, pri čemer so pogoji radijske komunikacije v prvem in tretjem segmentu za satelite in vesoljska plovila enaki. Na drugem odseku poti hitrost ladje preseže drugo kozmično hitrost, ladja zapusti gravitacijsko polje Zemlje in se premika v medplanetarnem prostoru. Dolžina radijske povezave med vesoljskim plovilom in Zemljo lahko doseže več sto milijonov kilometrov.
Atmosfera Zemlje v tem primeru vpliva tudi na pogoje radijske komunikacije.
Če je vesoljsko plovilo usmerjeno na enega od planetov, potem ko vesoljsko plovilo vstopi v atmosfero planeta, se pogoji radijske komunikacije spremenijo glede na radiofizikalne lastnosti atmosfere planeta.
Značilnosti medplanetarnega medija. V medplanetarnem prostoru je gostota elektronov enaka gostoti protonov, plazma kot celota pa je kvazinevtralna. Na razdaljah, večjih od 30 km od Sonca, se lahko šteje, da je hitrost plazme konstantna in enaka 500 km/s. Na teh razdaljah je koncentracija elektronov N e cm -3 zaradi konstantnosti toka delcev v enotnem prostorskem kotu odvisna od razdalje do Sonca r (km) po zakonu
Na razdalji 150 10 6 km od Sonca je elektronska gostota N e = 2 – 20 cm -3 . Medplanetarna plazma je statistično nehomogen medij s povprečno velikostjo nepravilnosti okoli 200 km. Poleg tega obstajajo neravnine velikega obsega z dimenzijami (0,1 - 1) 10 6 km. Jakost stalnega magnetnega polja na razdalji 150 10 6 km od Sonca je = 4 10 -3 A/m. Po sončnih izbruhih se elektronska gostota in hitrost toka plazme ter jakost stalnega magnetnega polja večkrat povečajo. Eksperimentalna študija prehoda radijskih valov v vesolju iz vira, ki oddaja beli spekter (ozvezdje Bika) ali monokromatska nihanja (oddajniki, nameščeni na vesoljskih objektih), je pokazala, da medplanetarni tok VHF energije v obeh primerih praktično ne absorbira. srednje. Vendar je bilo ugotovljeno, da medplanetarni medij povzroča bledenje radijskih valov, povezanih z gibanjem plazemskih nehomogenosti.
Ker so nehomogenosti medplanetarnega medija v različnih regijah medplanetarnega in obsončnega prostora različne, so nihanja faz, amplitud in spremembe v spektru radijskih valov odvisni od lokacije poti glede na Sonce.
Lastnosti VHF radijske povezave Zemlja - vesolje. Izguba energije. Na radijski povezavi Zemlja-vesolje ima medplanetarna plazma šibek učinek absorpcije ali sipanja radijskih valov. Odločilni dejavnik je oslabitev signala zaradi velike dolžine poti in absorpcije v zemeljski atmosferi.
Razpon radijskih frekvenc, primernih za radijsko komunikacijo z vesoljskim plovilom, je omejen z absorpcijskimi in odbojnimi lastnostmi zemeljske atmosfere. Radijski valovi, daljši od 10 m, se odbijajo od ionosfere in so zato neprimerni za komunikacijo z objekti, ki se nahajajo zunaj nje. Absorpcija radijskih valov v ionosferi pada z naraščanjem delovne frekvence po kvadratnem zakonu. Pri prehodu celotne debeline ionosfere z valovi s frekvencami nad 100 MHz absorpcija ne presega 0,1 dB. Med absorpcijskimi izbruhi se izguba na valu s frekvenco 100 MHz poveča na 1 dB, pogoji za prehod metrskih valov pa se poslabšajo. Zgornja meja frekvenc, ki se uporablja za vesoljske radijske komunikacije, je določena z absorpcijo radijskih valov v troposferi in je približno 10 GHz. Ko se zemeljski dopisnik nahaja na nadmorski višini približno 5 km, se lahko zgornja meja delovnih frekvenc poveča na 40 GHz.
Za radijsko komunikacijo s sateliti, katerih pot poteka pod glavnim maksimumom elektronske gostote ionosfere - plast F2, se uporabljajo kratki valovi. Odboj in absorpcija HF se v tem primeru podrejata enakim zakonitostim kot na prizemnih kratkovalovnih radijskih povezavah. Močno povečanje ravni signala, prejetega s satelita, opazimo, ko satelit prehaja čez sprejemno točko in čez antipodno točko (učinek antipoda).
Zavrtite ravnino polarizacije. Ko se radijski valovi širijo v ionosferi v prisotnosti stalnega magnetnega polja Zemlje, se ravnina polarizacije radijskega valovanja vrti.
Največja vrednost kota vrtenja ravnine polarizacije valovanja (v stopinjah) je določena z izrazom, dobljenim iz (4.14), ob predpostavki, da gre val skozi celotno debelino ionosfere pri največji gostoti elektronov ( podnevi, poleti):
kjer je delovna frekvenca, MHz; - pravi zenitni kot satelita (slika 5.10). Vrednosti ymax za frekvence 500 MHz, 1 GHz, 3 GHz, pri = so; ; .
Vrtenje polarizacijske ravnine v ionosferi se kaže pri zelo visokih frekvencah in se spreminja, ko se satelit premika po nebu zaradi sprememb v kotu in nihanj gostote elektronov v ionosferi. Pri sprejemanju na linearno polarizirani anteni pride do bledenja. Za odpravo bledenja se uporabljajo oddajne in sprejemne antene s krožno polarizacijo. V tem primeru je treba upoštevati, da le v osrednjem delu diagrama dobimo polje s krožno polarizacijo, na robovih diagrama pa polje z eliptično polarizacijo. To povzroči izgubo neusklajenosti polarizacije za približno 0,5 dB. Če ima vgrajena antena linearno polarizacijo, pride do izgub do 3 dB.
Bledeči radijski valovi. Sipanje energije radijskih valov na ionosferskih nehomogenostih ter interferenca direktnih in razpršenih valov povzroči nihanje amplitude radijskih signalov, ki so prešli skozi ionosfero. Da bi zagotovili neprekinjen sprejem takih signalov, je treba njihovo izračunano intenzivnost izbrati za večjo vrednost. Vrednosti za frekvence 300 MHz, 1 GHz, 3 GHz so 1,6; 0,5; 0,1 dB in kažejo, da se vpliv sipanja zmanjšuje s frekvenco.
Razlika v vrednostih sprejetih in oddanih frekvenc D se imenuje
Dopplerjev premik frekvence:
riž. 5.10. Shema radijske povezave Zemlja - vesolje:
AMPAK– zemeljska antena; OD- satelit
Na primer, ko je r =8 10 3 m/s Dopplerjev frekvenčni premik = 0,02 0,2 MHz.
Ko gredo radijski valovi, ki jih oddaja premikajoči se vir, skozi nehomogen medij, ki se naključno spreminja v času in prostoru, se tudi sam naključno spreminja.
Tako je med prehodom radijskih valov, ki jih oddaja vesoljsko plovilo skozi nehomogeno troposfero, ionosfero in vesolje, sprememba statistične narave.
Za zmanjšanje škodljivega učinka zamika nosilne frekvence v vesoljskih radijskih komunikacijah sprejemniki uporabljajo avtomatsko regulacijo frekvence ali spreminjajo frekvenco oddajnika, če je pot oddajnika znana vnaprej. Poleg tega se pod vplivom Dopplerjevega učinka frekvenčni spekter signala deformira zaradi dejstva, da vsaka komponenta spektra prejme svoj premik.
Dopplerjev frekvenčni premik se uporablja kot pozitiven pojav, ki vam omogoča določanje hitrosti premikajočega se vira ali reflektorja, če so znane lastnosti medija. Rešujejo tudi inverzni problem: z merjenjem frekvenčnega zamika in poznavanjem hitrosti sevalnika se določijo električni parametri medija.
Spremembe pri določanju koordinat vesoljskih objektov z radijskimi inženirskimi metodami. Prehod radijskih valov v troposferi in ionosferi spremlja lom ter sprememba fazne in skupinske hitrosti širjenja valov. Ti dejavniki so vzrok za napake, ki jih je treba upoštevati pri določanju koordinat vesoljskih objektov z radiotehničnimi metodami. Napake, ki se pojavljajo, odpravimo z ustreznimi popravki.
5.6. Značilnosti širjenja optičnih in infrardečih valov
Splošne določbe. Optično območje vključuje elektromagnetna nihanja z valovno dolžino 0,39-0,75 mikronov. Infrardeče (IR) območje vključuje valove dolžine 0,75-1000 mikronov, ki zavzemajo vmesni položaj med optičnimi in milimetrskimi valovi. Infrardeče območje je razdeljeno na tri področja: bližnje infrardeče sevanje - od 0,75 do 1,5 mikronov, srednje - od 1,5 do 5,6 mikronov in daleč - od 5,6 do 1000 mikronov. Meje spektrov optičnih, infrardečih in milimetrskih radijskih valov se med seboj prekrivajo.
Optične in IR valove lahko fokusiramo z lečami in zrcali, spreminjamo svojo smer pri odboju in lomu ter razgradimo v spekter s pomočjo prizme. IR valovi, tako kot radijski valovi, lahko prehajajo skozi nekatere materiale, ki so neprozorni za optične valove. IR valovi se pogosto uporabljajo v različnih panogah.
Glavna prednost mnogih IR sistemov je, da je mogoče uporabiti sevanje tarč, ki so bodisi same vir IR sevanja bodisi odbijajo sevanje naravnih IR virov. Takšni sistemi se imenujejo pasivni. Aktivni IR sistemi imajo močan vir, katerega sevanje, filtrirano v ozkem delu spektra, se s pomočjo optičnega sistema koncentrira in v obliki ozkega snopa usmeri na cilj.
IR sistemi imajo visoko ločljivost.
Slabljenje optičnih in infrardečih valov v ozračju. Popolna slabitev optičnih in IR valov v ozračju je posledica več dejavnikov. Ločimo slabljenje svetlobe v ozračju brez oblakov in megle ter slabljenje svetlobe v megli.
Slabljenje v prosti atmosferi je sestavljeno iz sipanja svetlobe na molekulah plina in vodne pare ter selektivne absorpcije. Moč, ki jo prenašajo svetloba in infrardeči valovi, ki so pretekli določeno razdaljo r v ozračju, se izračuna podobno kot moč radijskega valovanja:
kjer je G skupni absorpcijski koeficient v dB/km, ki je enak:
G=Gg+Gp+Gsel+Gt.
Tu sta Gg in Gp koeficient slabljenja zaradi sipanja na molekulah plina in pare; Gsel - selektivni absorpcijski koeficient; Гт - koeficient absorpcije v megli.
Koeficient slabljenja zaradi sipanja valov na molekulah plina Gg (dB/km) pri zračnem tlaku p (MPa), temperaturi T (K) in valovni dolžini l (µm) je podan z naslednjim izrazom:
Gg = 25p/Tl 4 .
Ta vrsta slabljenja je veliko manj izrazita v infrardečem kot v optičnem.
Ozračje brez oblakov in megle vsebuje delce nečistoč – vodne pare in prah, na katerih se sipajo tudi optični in infrardeči valovi. Za karakterizacijo prostorskega vzorca sipanja svetlobe na posameznem delcu se uporablja koncept sipane indikatrise (kotna funkcija sipanja), ki je definirana kot razmerje med močjo, ki jo delec razprši v dani smeri, in energijskim tokom, razpršenim v vse smeri (pojem, podoben sevalnemu vzorcu antene). Indikatorje sipanja se določijo z izračunom za sferične delce različnih polmerov a, ki imajo različne lomne količnike n. Majhni delci z 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).
Velikost delcev prahu in pare je večkrat večja od valovne dolžine, število delcev pa ne ostane konstantno, kar otežuje izračun koeficienta dušenja. Zato je za določitev oslabitve zaradi sipanja na teh delcih bolje uporabiti eksperimentalne podatke. Empirično ugotovljeno, da je koeficient slabljenja sorazmeren z l -1,75. Tovrstne izgube so največje v mestih, manjše so pri IR valovanju kot pri optičnih valovnih dolžinah.
Selektivna absorpcija je še posebej značilna za IR območje. Na sl. 5.11 prikazuje porazdelitev energije v sončnem spektru, merjeno blizu Zemlje za območje valovnih dolžin 0,3-2,2 µm. Če ne bi bilo selektivne absorpcije, bi imela krivulja gladek potek, označen s pikčasto črto. V vidnem delu spektra pri valovnih dolžinah 0,4-0,75 µm je absorpcija zanemarljiva, pri valovni dolžini 0,76 µm pa opazimo absorpcijo v kisiku. Območja močne absorpcije najdemo v bližini valov dolžine 0,94; 1.10; 1,38 in 1,87 µm. Ta absorpcija je posledica prisotnosti vodne pare v ozračju, prosojnost ozračja za infrardeče žarke pa je močno odvisna od vlažnosti ozračja.
riž. 5.12. Emisijski spekter jasnega neba
Absorpcijski učinek imata ogljikov dioksid (pri valovih 2,7; 4, 3 in 12-20 μm) in ozon (pri valovih 4,7 in 9,6 μm), vendar ima glavni absorbcijski učinek vodna para, saj je njena vsebnost veliko večja od ogljikovega dioksida, plina in ozona.
Meritve so pokazale, da ima atmosfera relativno dobro prosojnost za infrardeče žarke pri valovnih dolžinah: 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. V teh mejah lahko absorpcijo zanemarimo, medtem ko pri vmesnih valovnih dolžinah in valovnih dolžinah, daljših od 13,0 μm, pride do skoraj popolne absorpcije.
V kapljicah megle prihaja do toplotnih izgub in sipanja, tako kot v milimetrskem in centimetrskem območju radijskih valov. Večja kot je velikost kapljice, večja je izguba.
Lom optičnih in infrardečih valov v atmosferi. Razlikujemo med astronomsko refrakcijo - lom žarkov, ki prihajajo iz nebesnega telesa ali drugega vira, ki se nahaja na nizki nadmorski višini do opazovalca, in terestrično refrakcijo - lom žarkov, ki prihajajo iz zemeljskih predmetov.
Optični in bližnji IR valovi se manj lomijo kot radijski valovi. Lomni količnik troposfere za IR in optične valove zapišemo na naslednji način (glej 3.1):
kjer je parcialni tlak suhega zraka (Pa).
Pri astronomskem lomu, ko gre žarek skozi celotno debelino atmosfere, katere lomni količnik narašča, ko se približuje površini Zemlje, je tir valovanja vedno konveksen proti zenitu (pozitiven lom). Tako kot pri radijskih valovih pojav loma povzroči napako pri določanju višinskega kota.
Zemljin lom je lahko pozitiven ali negativen. V pogojih normalne refrakcije je domet vidnega polja v optičnem in IR območju nekoliko manjši kot v radijskem območju. Formula (3.5) ima naslednjo obliko:
Polmer ukrivljenosti trajektorije optičnega vala je približno 50.000 km. V optičnem in IR območju je pojav superfrakcije opažen manj pogosto kot v radijskem območju. Pojav fatamorgane je povezan s superrefrakcijo.
Širjenje sevanja iz optičnih kvantnih generatorjev v atmosferi. Koherenca, visoka stopnja monokromatičnosti, visoka usmerjenost in moč sevanja iz optičnih kvantnih generatorjev (OQG) povzročajo ustrezne značilnosti širjenja teh sevanj v atmosferi. Spektralna širina mnogih laserjev je manjša od širine selektivne absorpcijske črte atmosferskih plinov. Zato je za kvantificiranje absorpcije laserskega sevanja potrebno imeti podatke o selektivni absorpciji za fiksne frekvence. Pridobivanje takih podatkov otežuje omejena ločljivost merilne opreme. Merjenje selektivne absorpcije v območju l = 0,69334 0,6694 μm, ki vključuje sevanje rubinastega laserja, je pokazalo, da se pri spremembi valovne dolžine za manj kot 10 -4 μm absorpcija spremeni od 0 do 80 %.
Ugotovljeno je bilo, da pri širjenju prostorsko omejenih žarkov v atmosferi sipanje na delcih spremeni porazdelitev moči po preseku žarka sevanja. Ta porazdelitev je odvisna od optične debeline plasti, geometrije žarka in lastnosti medija.
Turbulentne nehomogenosti troposfere povzročajo resno poslabšanje pogojev delovanja IR radijskih zvez. Njihov vpliv je še posebej pomemben pri širjenju koherentnega sevanja. Turbulence v troposferi motijo stabilnost fazne fronte koherentnega žarka, kar vodi do njegovega širjenja in odklona ter povzroča fluktuacije amplitude.
Nihanja amplitude signala se ravnajo po zakonu normalne logaritemske porazdelitve. Za nihanje kotov prihoda žarka sevanja je značilen normalen zakon.
Pridobljenih je bilo nekaj podatkov, ki omogočajo presojo morebitnega širjenja žarkov laserskega sevanja. Med meritvami na razdaljah 15 in 145 km je bilo opaziti povečanje divergence žarka za 8" oziroma 13".
Posledično ni mogoče ustvariti vzorcev sevanja IR anten s širino, manjšo od ene kotne sekunde.
Interferenca v optičnih in infrardečih valovnih dolžinah. Vir sevanja, ki ni tarča, je treba obravnavati kot sevanje ozadja, ki moti delovanje optičnega ali IR sistema. Sevanje ozadja se kaže kot škodljiv hrup, s katerim se moramo spopasti. Kvalitativni pogled na spektralne značilnosti sevanja jasnega neba podnevi 1 in ponoči 2 je prikazan na sliki 5.12.
Svetlost neba je odvisna od atmosferskega tlaka in zenitnega kota ter narašča proti obzorju. Oblaki ustvarjajo nepravilnosti v sevanju neba tako podnevi kot ponoči, zlasti pri valovnih dolžinah, krajših od 3 μm. Najresnejše motnje povzročajo svetli robovi oblakov, ki so vaba v IR območju.
Zemlja ustvarja večje ozadje v IR območju spektra kot jasno nebo brez oblačka, saj odbija kratkovalovno sevanje, ki je kombinirano z lastnim toplotnim sevanjem na daljših valovnih dolžinah. Ozadje, ki ga ustvarja Zemlja, otežuje odkrivanje zemeljskih ciljev.
5.7. Elektromagnetna varnost
Razmislimo o pomembnem vprašanju, ki je v naših dneh dobilo poseben pomen, čeprav ni neposredno povezano s širjenjem radijskih valov. Dejstvo je, da tehnološki razvoj družbe spremlja nenehno povečevanje jakosti elektromagnetnih polj umetnega izvora, ki človeka obdajajo na delovnem mestu in doma. Posledično postane pomembna zaščita zdravja ljudi pred škodljivimi učinki močnih polj, ki dolgoročno vplivajo na telo.
Omenjena problematika je v pristojnosti radiacijske biologije, ki se med drugim ukvarja s celovitim proučevanjem vpliva elektromagnetnega polja na živo bitje. Ugotovljeno je bilo, da so za človeka najbolj nevarna ionizirajoča sevanja, katerih kvantna energija zadošča za odtrganje elektronov od atoma. Takšne lastnosti ima ultravijolično sevanje in vsa druga sevanja krajših valovnih dolžin, na primer elektromagnetno valovanje v območju rentgenskih žarkov.
Biološki učinek absorbiranega ionizirajočega sevanja je izražen v posebnih enotah – greih (Gy). En gray ustreza absorpciji energije 1 J na 1 kg mase.
Najpomembnejši način zaščite človeka je omejitev doze absorbiranega sevanja. Po standardih, sprejetih v ZDA, je za osebe, izpostavljene sevanju pri delu, največja dovoljena letna doza 50 mGy. Individualna doza za ostalo prebivalstvo ne sme preseči 50 mGy za 30 let brez upoštevanja naravnega sevalnega ozadja.
Pri radijskih frekvencah je energija kvantov (fotonov) nezadostna za ionizacijo atomov snovi. Vpadno elektromagnetno polje spravi atome ali molekule v vzbujeno stanje. Po tem se atomi ali molekule vrnejo v prvotno stanje in oddajajo nove kvante iste frekvence. Na koncu se vsa energija radijskih valov, ki jo absorbira telo, spremeni v toploto. To se pogosto uporablja v medicini za ogrevanje notranjih organov. Vendar pa dolgotrajna izpostavljenost osebe mikrovalovnim poljem z gostoto pretoka moči več mW / vodi do bolečih pojavov, predvsem zamegljenosti očesne leče. Možnost genetskih sprememb v telesu ni izključena. Zato je treba pri uporabi zadevne opreme dosledno upoštevati znanstveno utemeljene standarde za izpostavljenost osebja radijskim frekvencam.
5.8. Vprašanja za samopregledovanje
1. Navedite glavne značilnosti širjenja superdolgih in dolgih valov.
2. Kakšne so prednosti in slabosti radijske komunikacije na VLF in LW?
3. Kakšne so značilnosti sferičnega valovoda Zemlja-ionosfera?
4. Navedite glavne značilnosti širjenja srednjih valov.
5. Kako se čez dan spreminjajo pogoji širjenja SW?
6. Kakšna je narava bledenja signala na CB?
7. Kako se določi električna poljska jakost v SW območju?
8. Navedite glavne značilnosti širjenja kratkih valov.
9. Na podlagi katerega pogoja je izbrana največja uporabna frekvenca?
10. Kateri dejavniki določajo najnižjo uporabno frekvenco?
11. Kaj je območje tišine?
12. Kateri so vzroki za pojemanje HF?
13. Kateri pojav imenujemo Kabanov učinek?
14. V katerih regijah sveta je HF komunikacija težavna?
15. V katerem času dneva je mogoče delovati na višjih frekvencah znotraj kratkovalovnega območja?
16. Navedite glavne značilnosti širjenja ultrakratkih valov v površinskem prostoru.
17. Navedite značilnosti širjenja VHF v vidnem polju.
18. Kako odboji od neravnih tal vplivajo na širjenje VHF?
19. Navedite značilnosti distribucije VHF na neravnem terenu in v mestih.
20. Kakšen pojav imenujemo ojačitev z oviro?
21. Navedite značilnosti distribucije VHF v velikem mestu.
22. Navedite značilnosti širjenja VHF na velike razdalje v pogojih superrefrakcije.
23. Razložite proces VHF sipanja na nehomogenostih troposfere.
24. Kaj povzroča sipanje in odboj metrskih valov v ionosferi?
25. Katere tehnike sprejema se uporabljajo za obravnavo VHF bledenja?
26. Navedite glavne značilnosti širjenja VHF v vesolju.
27. Navedite glavne značilnosti medplanetarnega medija.
28. Pojasnite značilnosti VHF radijskih povezav Zemlja-vesolje: izgube energije; rotacija polarizacijske ravnine; bledenje.
29. Navedite glavne značilnosti širjenja valov v optičnem in IR območju.
30. Kakšni so razlogi za oslabitev optičnih in IR valov v ozračju?
31. Kakšne so značilnosti loma optičnih in IR valov?
32. Kakšen je vpliv atmosfere na širjenje sevanja iz optičnih kvantnih generatorjev?
33. Kaj je vir motenj v območju optičnih in IR valov?
34. Kaj je problem elektromagnetne varnosti?
LITERATURA
1. Yamanov D.N. Osnove elektrodinamike in širjenje radijskih valov. Del 1. Osnove elektrodinamike: Besedila predavanj. - M: MSTU GA, 2002. - 80 str.
2. Yamanov D.N. Osnove elektrodinamike in širjenje radijskih valov. Del 2. Osnove elektrodinamike. Besedila predavanj - M: MSTU GA, 2005. - 100 str.
3. Baskakov S.I. Elektrodinamika in širjenje radijskih valov: Proc. dodatek za univerze. - M: Višje. šola, 1992. - 416 str.
4. Nikolsky V.V., Nikolskaya T.N. Elektrodinamika in širjenje radijskih valov: Proc. dodatek za univerze. - M: Nauka., 1989. - 544 str.
5. Markov G.T., Petrov B.M., Grudinskaya G.P. Elektrodinamika in širjenje radijskih valov: Proc. dodatek za univerze. - M: Sov. radio, 1979. - 376 str.
6. Grudinskaya G.P. Razširjanje radijskih valov: Proc. dodatek za univerze. - M: Višje. šola, 1975. - 280 str.
7. Priročnik s teoretičnimi osnovami radijske elektronike: Zvezek 1./ur. B.H. Krivitsky, V.N. Doolin. - M: 1977. - 504 str.
UVOD …………………………………………………………………………….. 3
1. ŠIRENJE RADIJSKIH VALOV V PROSTEM PROSTORU …4
1.1. Formula za idealno oddajo …………………………………………. 7
1.2. Območje vesolja, ki je bistveno za širjenje radijskih valov. Fresnel conska metoda ………………………………………………………………. .deset
1.3. Vprašanja za samopregled ………………………………………………….... 12
2. VPLIV ZEMELJSKEGA POVRŠJA NA ŠIRJENJE RADIJSKIH VALOV ………………………………………………………………………..13
2.1. Absorpcija radijskih valov na različnih vrstah zemeljske površine ……….13
2.2. Odboj ravnih radijskih valov na zračno gladko površino Zemljine meje ……………………………………………………………….17
2.3. Odboj radijskih valov od hrapave površine …………………….19
2.4. Razvrstitev primerov širjenja prizemnih radijskih valov ……………22
2.5. Polje oddajnika dvignjeno nad ravno zemeljsko površino…………22
2.6. Polje oddajnika, ki se nahaja v bližini ravne zemlje
površine ……………………………………………………………………..25
2.7. Difrakcija radijskih valov okoli sferične zemeljske površine ……….. 28
2.8 Vprašanja za samopregledovanje ……………………………………………………… 29
3. TROPOSFERA IN NJEN VPLIV NA ŠIRJENJE RADIJSKIH VALOV..30
3.1. Sestava in struktura troposfere ……………………………………………….. 30
3.2. Dielektrična konstanta in eksponent
lom troposfere ……………………………………………………... 31
3.3. Lom radijskih valov v troposferi ……………………………………….. 33
3.4. Absorpcija radijskih valov v troposferi ……………………………………... 37
3.5. Vprašanja za samopregled …………………………………………………… 39
4. IONOSFERA IN NJEN VPLIV NA ŠIRJENJE RADIJSKIH VALOV …39
4.1. Ionizacija in rekombinacija plina v ionosferi ……………………………….. 39
4.2. Struktura ionosfere …………………………………………………………….. 41
4.3. Dielektrična konstanta in prevodnost ioniziranega
plin (plazma)……………………………………………………………………….. 44
4.4. Hitrost širjenja radijskih valov v ioniziranem plinu (plazmi) ...46
4.5. Absorpcija radijskih valov v ioniziranem plinu …………………………...47
4.6. Lom in odboj radijskih valov v ionosferi ………………………. 49
4.7. Vpliv stalnega magnetnega polja na elektriko
parametri ioniziranega plina………………………………………………… 50
4.8 Vprašanja za samopregled ………………………………………………… 52
5. POSEBNOSTI ŠIRJENJA RADIJSKIH VALOV V RAZLIČNIH PASOVIH …………………………………………………………………….. 53
5.1. Posebnosti širjenja superdolgih in dolgih valov …………. 53
5.2. Značilnosti širjenja srednjih valov …………………………….. 57
5.3. Značilnosti širjenja kratkih valov.……………………………58
5.4. Značilnosti širjenja ultrakratkih valov v površinskem prostoru ……………………………………………………………………… 62
5.5. Značilnosti širjenja ultrakratkih valov v vesolju ……………………………………………………………………… 71
5.6. Značilnosti širjenja optičnih in infrardečih valov ………………………………………………………………………... 77
5.7. Elektromagnetna varnost …………………………………………... 83
5.8. Vprašanja za samopregled …………………………………………………... 84
LITERATURA ……………………………………………………………………… 86
Radijski valovi in njihova razporeditev so nesporna skrivnost za začetnike v etru. Tukaj se lahko seznanite z osnovami teorije širjenja radijskih valov. Ta članek je namenjen predstavitvi začetnikom ljubiteljem zraka, pa tudi tistim, ki imajo o tem nekaj pojma.
Najpomembnejši uvod, ki ga velikokrat pozabimo povedati pred uvedbo teorije o širjenju radijskih valov, je, da se radijski valovi širijo okoli našega planeta zaradi odboja od ionosfere in da se žarek svetlobe odbija od zemlje kot od prosojnih zrcal.
Posebnosti širjenja srednjega valovanja in navzkrižne modulacije
Med srednje valove uvrščamo radijske valove dolžine od 1000 do 100 m (frekvenca 0,3 - 3,0 MHz). Srednji valovi se uporabljajo predvsem za oddajanje. In so tudi zibelka domačega radijskega piratstva. Lahko se širijo po kopnem in po ionosferi. Srednji valovi doživljajo znatno absorpcijo v polprevodniški površini Zemlje, obseg širjenja zemeljskega vala 1 (glej sliko 1) je omejen na razdaljo 500-700 km. Na velike razdalje se radijska valova 2 in 3 širita z ionosferskim (prostorskim) valom.
Ponoči se srednji valovi širijo z odbojem od plasti E ionosfere (glej sliko 2), katere elektronska gostota je za to zadostna. Podnevi se na poti širjenja valov nahaja plast D, ki izjemno močno absorbira srednje valove. Zato je pri navadnih močeh oddajnika električna poljska jakost nezadostna za sprejem, podnevi pa se širjenje srednjih valov pojavlja praktično samo z zemeljskim valovanjem na razmeroma kratkih razdaljah, reda velikosti 1000 km. V območju srednjih valov imajo daljši valovi manjšo absorpcijo in električna poljska jakost valov je večja pri daljših valovnih dolžinah. Absorpcija se poveča v poletnih mesecih in zmanjša pozimi. Ionosferske motnje ne vplivajo na širjenje srednjih valov, saj je plast E med ionosfersko-magnetnimi nevihtami malo motena.
Ponoči glej sl. 1, na določeni razdalji od oddajnika (točka B) je možen hkratni prihod prostorskih 3 in površinskih valov 1, dolžina poti prostorskega vala pa se spreminja s spremembo gostote elektronov ionosfere. Sprememba fazne razlike teh valov povzroči nihanje jakosti električnega polja, ki se imenuje bledenje bližnjega polja.
Na precejšnji razdalji od oddajnika (točka C) lahko valovi 2 in 3 pridejo z enim ali dvema odbojema od ionosfere. Sprememba fazne razlike teh dveh valov povzroči tudi nihanje jakosti električnega polja, ki se imenuje zbledenje daljnega polja.
Za boj proti bledenju na oddajnem koncu komunikacijske linije se uporabljajo antene, pri katerih je maksimum vzorca sevanja "pritisnjen" na zemeljsko površino, med njimi je najpreprostejša antena Inverted-V, ki jo pogosto uporabljajo radijski amaterji. Pri takšnem sevalnem vzorcu se območje bližnjega zamiranja odmika od oddajnika in na velikih razdaljah oslabi polje valovanja, ki je prispelo z dvema odbojema.
Na žalost se vsi izdajatelji televizijskih programov začetniki, ki delujejo v frekvenčnem območju 1600–3000 kHz, ne zavedajo, da je šibek signal oddajnika nizke moči podvržen ionosferskemu popačenju. Signal močnejših radijskih oddajnikov je manj dovzeten za ionosfersko popačenje. Zaradi nelinearne ionizacije ionosfere je šibek signal moduliran z modulacijsko napetostjo signalov močnih postaj. Ta pojav se imenuje navzkrižna modulacija. Globina modulacijskega koeficienta doseže 5-8%. S sprejemne strani je vtis slabo izvedenega oddajnika, z vsemi vrstami brnenja in piskanja, kar je še posebej opazno v načinu AM modulacije.
Zaradi navzkrižne modulacije v sprejemnik pogosto prodre intenziven šum strele, ki ga ni mogoče filtrirati - razelektritev strele modulira sprejeti signal. Prav zaradi tega so izdajatelji začeli uporabljati enostranske oddajnike za dvosmerno radijsko komunikacijo in začeli pogosteje delovati na višjih frekvencah. Tuji radijski oddajniki CB postaj jih ojačajo in stisnejo modulacijske signale, za nepopačeno delovanje v etru pa uporabljajo inverzne frekvence.
Pojave demodulacije in navzkrižne modulacije v ionosferi opazimo le v območju srednjih valov (MW). V območju kratkih valov (SW) je hitrost elektrona pod delovanjem električnega polja zanemarljiva v primerjavi z njegovo toplotno hitrostjo in prisotnost polja ne spremeni števila trkov elektrona s težkimi delci.
Najbolj ugodne, v frekvenčnem območju od 1500 do 3000 kHz za komunikacije na dolge razdalje, so zimske noči in obdobja minimalne sončne aktivnosti. Povezave na zelo dolge razdalje, več kot 10.000 km, so običajno možne ob sončnem zahodu in vzhodu. Podnevi je komunikacija možna na razdalji do 300 km. Brezplačnim radijskim postajam FM lahko tako velike radijske poti le zavidajo.
Poleti je ta pas pogosto moten zaradi motenj zaradi statičnih razelektritev v ozračju.
Značilnosti širjenja kratkih valov in njihove značilnosti
Med kratke valove uvrščamo radijske valove dolžine od 100 do 10 m (frekvenca 3-30 MHz). Prednost delovanja na kratkih valovnih dolžinah pred delovanjem na daljših valovnih dolžinah je, da je v tem območju mogoče preprosto ustvariti usmerjene antene. Kratki valovi se lahko širijo kot zemeljski, v nizkofrekvenčnem delu območja in kot ionosferski.
Z naraščanjem frekvence se močno poveča absorpcija valov v polprevodniški površini Zemlje. Zato se pri običajni moči oddajnika kratkovalovni zemeljski valovi širijo na razdalje, ki ne presegajo več deset kilometrov. Na morski gladini se ta razdalja močno poveča.
Kratki valovi se lahko širijo z ionosferskim valom na več tisoč kilometrov in za to niso potrebni oddajniki velike moči. Zato se trenutno kratki valovi uporabljajo predvsem za komunikacijo in oddajanje na velike razdalje.
Kratki valovi se širijo na velike razdalje z odbojem od ionosfere in zemeljskega površja. Ta metoda razmnoževanja se imenuje skakanje, glej sl. 2 in je označen z razdaljo skokov, številom skokov, izhodnimi in prihodnimi koti, največjo uporabno frekvenco (MUF) in najnižjo uporabno frekvenco (LFF).
Če je ionosfera enakomerna v vodoravni smeri, je simetrična tudi tirnica valovanja. Običajno se sevanje pojavi v določenem območju kotov, saj je širina sevalnega vzorca kratkovalovnih anten v navpični ravnini 10-15 °. Najmanjša preskočna razdalja, za katero je izpolnjen pogoj odboja, se imenuje razdalja območja tišine (ZM). Za odboj valovanja je potrebno, da delovna frekvenca ni višja od vrednosti največje uporabne frekvence (MUF), ki je zgornja meja delovnega območja za določeno razdaljo. 4. val.
Uporaba protiletalskih sevalnih anten, kot enega od načinov za zmanjšanje območja tišine, je omejena s konceptom največje veljavne frekvence (MUF), pri čemer se upošteva njeno zmanjšanje za 15-20% MUF. Antene za protiletalsko sevanje se uporabljajo za oddajanje v bližnjem območju z metodo odboja z enim skokom od ionosfere.
Drugi pogoj omejuje območje delovanja od spodaj: nižja kot je delovna frekvenca (znotraj kratkovalovnega območja), močnejša je absorpcija valovanja v ionosferi. Najnižja veljavna frekvenca (LFC) je določena iz pogoja, da mora pri moči oddajnika 1 kW električna poljska jakost signala presegati raven šuma, zato absorpcija signala v ionosferskih plasteh ne sme biti večja od dovoljene . Elektronska gostota ionosfere se spreminja čez dan, med letom in v obdobju sončne aktivnosti. To pomeni, da se spreminjajo tudi meje delovnega območja, zaradi česar je treba čez dan spreminjati delovno valovno dolžino.
Frekvenčno območje 1,5-3 MHz, je nočna. Jasno je, da morate za uspešno radijsko komunikacijo vsakič izbrati pravo frekvenco (valovno dolžino), poleg tega pa to zaplete zasnovo postaje, a za pravega poznavalca komunikacij na dolge razdalje to ni težava , to je del hobija. Ocenimo HF območje po odsekih.
Frekvenčni razpon 5-8 MHz, v marsičem podoben pasu 3 MHz in za razliko od njega lahko tukaj podnevi komunicirate do 2000 km, območje tišine (ZM) ni in je nekaj deset kilometrov. Ponoči je komunikacija mogoča na kateri koli razdalji, z izjemo ZM, ki se poveča na nekaj sto kilometrov. V urah spreminjanja časa dneva (sončni zahod/sončni vzhod) najbolj primeren za komunikacijo na dolge razdalje. Atmosferski šum je manj izrazit kot v območju 1,5-3 MHz.
V frekvenčnem območju 10-15 MHz v obdobjih sončne aktivnosti so podnevi možne komunikacije s skoraj vsako točko na svetu. Poleti je trajanje radijskih komunikacij v tem frekvenčnem območju 24 ur na dan, z izjemo določenih dni. Območje tišine ponoči ima razdalje 1500-2000 km, zato so možne le komunikacije na dolge razdalje. Podnevi se zmanjšajo na 400-1000 km.
Frekvenčno območje 27-30 MHz Primerno za komunikacijo samo podnevi. To je najbolj muhasto območje. Običajno je odprta za več ur, dni ali tednov, predvsem ob menjavi letnih časov, t.j. jesen in pomlad. Območje tišine (ZM) doseže 2000-2500 km. Ta pojav spada v tematiko MUF, tukaj mora biti kot odbitega vala majhen glede na ionosfero, sicer ima veliko slabljenje v ionosferi ali pa preprost beg v vesolje. Majhni koti sevanja ustrezajo velikim skokom in temu primerno velikim območjem tišine. V obdobjih največje sončne aktivnosti je komunikacija možna tudi ponoči.
Poleg zgornjih modelov so možni primeri nenormalnega širjenja radijskih valov. Do nenormalnega širjenja lahko pride, ko se na poti valovanja pojavi sporadična plast, od katere se lahko odbijajo krajši valovi, do metrskih valovnih dolžin. Ta pojav lahko opazujemo v praksi, ko gremo mimo oddaljenih TV postaj in FM radijskih postaj. MUF radijskega signala v teh urah doseže 60-100 MHz v letih sončne aktivnosti.
V pasu VHF FM, Razen v redkih primerih nepravilnega širjenja radijskih valov je širjenje izključno posledica tako imenovane "vidne linije". Širjenje radijskih valov znotraj vidnega polja govori samo zase in je posledica višine oddajne in sprejemne antene. Jasno je, da v pogojih urbanega razvoja ni mogoče govoriti o kakršni koli vizualni in vidni liniji, vendar radijski valovi prehajajo skozi urbani razvoj z določeno oslabljenostjo. Višja kot je frekvenca, večje je slabljenje v mestnih območjih. Frekvenčno območje 88–108 MHz je v mestnih razmerah tudi predmet slabljenja.
Zamiranje HF radijskih signalov
Sprejem kratkih radijskih valov vedno spremlja merjenje nivoja sprejetega signala, ta sprememba pa je naključna in začasna. Ta pojav imenujemo bledenje (bledenje) radijskega signala. V etru opazimo hitro in počasno bledenje signala. Globina bledenja lahko doseže do nekaj deset decibelov.
Glavni vzrok za hitro bledenje signala je večpotno širjenje radijskih valov. V tem primeru je vzrok bledenja prihod dveh žarkov na sprejemno točko, ki se širita z enim in dvema odbojema od ionosfere, val 1 in val 3, glej sliko 2.
Ker žarki potujejo po različnih poteh, njihove faze prihoda niso enake. Spremembe gostote elektronov, ki se nenehno pojavljajo v ionosferi, vodijo do spremembe dolžine poti vsakega od žarkov in posledično do spremembe fazne razlike med žarki. Za spremembo faze vala za 180° je dovolj, da se dolžina poti spremeni le za ½. Ne smemo pozabiti, da ko žarki enega signala prispejo na sprejemno točko z enako močjo in s fazno razliko 180 °, se popolnoma odštejejo v skladu z vektorskim zakonom, moč dohodnega signala pa je v tem primeru lahko enako nič. Tako majhne spremembe v dolžini poti se lahko pojavljajo nenehno, zato so nihanja jakosti električnega polja v območju kratkih valov pogosta in globoka. Interval njihovega opazovanja v 3-7 minutah je lahko pri nizkih frekvencah HF pasu in do 0,5 sekunde pri frekvencah bližje 30 MHz.
Poleg tega bledenje signala povzroča sipanje radijskih valov na nehomogenosti ionosfere in interferenca razpršenih valov.
Poleg interferenčnega bledenja se pri kratkih valovnih dolžinah pojavi polarizacijsko bledenje. Vzrok za bledenje polarizacije je rotacija polarizacijske ravnine valovanja glede na sprejeto anteno. To se zgodi, ko se valovanje širi v smeri silnic Zemljinega magnetnega polja in s spremembo elektronske gostote ionosfere. Če sta oddajna in sprejemna antena vodoravni vibratorji, bo sevano vodoravno polarizirano valovanje po prehodu skozi ionosfero podvrženo rotaciji polarizacijske ravnine. To vodi do nihanj. d.s., induciran v anteni, ki ima dodatno slabljenje do 10 dB.
V praksi vsi ti vzroki za bledenje signala praviloma delujejo kompleksno in se podrejajo opisanemu Rayleighovemu zakonu porazdelitve.
Poleg hitrega fedinga opazimo počasno feding, ki ga opazimo s periodo 40-60 minut v nizkofrekvenčnem delu HF pasu. Razlog za to bledenje je sprememba v absorpciji radijskih valov v ionosferi. Porazdelitev amplitude ovojnice signala med počasnim bledenjem je v skladu z običajnim logaritemskim zakonom z zmanjšanjem signala na 8-12 dB.
Za boj proti bledenju se na kratkih valovih uporablja metoda raznolikosti antene. Dejstvo je, da se povečanje in zmanjšanje jakosti električnega polja ne pojavita hkrati, tudi na relativno majhnem območju zemeljske površine. V praksi kratkovalovne komunikacije se običajno uporabljata dve anteni, razmaknjeni za več valovnih dolžin, signala pa se seštevata po zaznavi. Učinkovito je ločevanje anten s polarizacijo, to je hkratni sprejem na vertikalnih in horizontalnih antenah z naknadnim dodajanjem signalov po detekciji.
Opozoriti želim, da so ti nadzorni ukrepi učinkoviti le za odpravo hitrega bledenja, počasnih sprememb signala ne odpravimo, saj je to posledica spremembe absorpcije radijskih valov v ionosferi.
V amaterski radijski praksi se metoda antenske raznolikosti uporablja precej redko zaradi konstruktivnih visokih stroškov in pomanjkanja potrebe po sprejemu dovolj zanesljivih informacij. To je posledica dejstva, da amaterji pogosto uporabljajo resonančne in pasovne antene, katerih število v gospodinjstvu je približno 2-3 kosov. Uporaba raznovrstnega sprejema zahteva vsaj dvakratno povečanje števila anten.
Druga stvar je, ko amater živi na podeželju, čeprav ima dovolj prostora za namestitev strukture proti bledenju, lahko za to preprosto uporabi dva širokopasovna vibratorja, ki pokrivata vse ali skoraj vse zahtevane razpone. En vibrator mora biti navpičen, drugi vodoraven. Za to ni potrebno imeti več jamborov. Dovolj je, da jih postavite na isti jambor, tako da so med seboj usmerjeni pod kotom 90 °. Dve anteni bosta v tem primeru podobni dobro znani "Inverted-V" anteni.
Izračun polmera pokritosti z radijskim signalom v pasovih VHF / FM
Frekvence merilnega območja so razporejene znotraj vidnega polja. Razpon širjenja radijskih valov znotraj vidnega polja, brez upoštevanja moči sevanja oddajnika in drugih naravnih pojavov, ki zmanjšujejo komunikacijsko učinkovitost, izgleda takole:
r = 3,57 (√h1 + √h2), km,
Izračunajte polmere vidnega polja pri namestitvi sprejemne antene na različnih višinah, kjer je h1 parameter, h2 = 1,5 m, jih povzemamo v tabeli 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 |
Ta formula ne upošteva slabljenja signala in moči oddajnika, govori le o možnosti vidnega polja ob upoštevanju popolnoma okrogle zemlje.
Naredimo izračun zahtevana raven radijskega signala skupaj s sprejemom za valovno dolžino 3 m.
Ker na poteh med oddajno postajo in premikajočim se objektom vedno prihaja do takšnih pojavov, kot so odboji, sipanje, absorpcija radijskih signalov s strani različnih predmetov itd., je treba popraviti stopnjo slabljenja signala, kar je predlagal Japonec znanstvenik Okumura. Standardni odklon za to območje z mestnimi zgradbami bo 3 dB, pri komunikacijski verjetnosti 99 % pa uvedemo faktor 2, ki bo skupni popravek P v ravni radijskega signala v
P = 3 × 2 = 6 dB.
Občutljivost sprejemnikov je določena z razmerjem med koristnim signalom in šumom 12 dB, tj. 4-krat. To razmerje je nesprejemljivo za visokokakovostno oddajanje, zato bomo uvedli dodaten popravek še 12–20 dB in vzeli 14 dB.
Skupaj bo skupni popravek ravni sprejetega signala ob upoštevanju njegovega slabljenja vzdolž poti in posebnosti sprejemne naprave: 6 + 16 20 dB (10-krat). Nato z občutljivostjo sprejemnika 1,5 μV. na mestu sprejema polje z jakostjo 15 µV/m.
Izračunajte po formuli Vvedenskega razpon pri dani poljski jakosti 15 μV / m, ob upoštevanju moči oddajnika, občutljivosti sprejemnika in urbanih območij:
kjer je r km; P - kW; G - dB (=1); h - m; λ - m; E - mV.
Ta izračun ne upošteva ojačanja sprejemne antene, pa tudi slabljenja v podajalniku in pasovnem filtru.
odgovor: Z močjo 10 W, višino sevanja h1 = 27 metrov in h2 = 1,5 m bo resnično kakovosten radijski sprejem s polmerom v urbanih območjih 2,5-2,6 km. Če upoštevamo, da bo sprejem radijskih signalov iz vašega radijskega oddajnika potekal v srednjih in visokih nadstropjih stanovanjskih stavb, se bo ta obseg povečal za približno 2-3 krat. Če sprejemate radijske signale na oddaljeni anteni, bo doseg izračunan v desetinah kilometrov.
73! UA9LBG & Radio-Vector-Tjumen
