Распространение поверхностных радиоволн

Требования к антеннам и особенности радиосвязи.

Под радиосвязью земными волнами обычно понимают работу на антенны, расположенные на поверхности земли или на малых по сравнению с длиной волны высотах. По­ложительным качеством такой связи является независимость напряжённости поля от состояния ионосферы и связанное с этим относительное постоянство поля сигнала в пункте приёма (при отсутствии или малой интенсивнос­ти отражённой от ионосферы волны). При связи земной волной применяются вертикально поляризованные волны, затухающие в значительно меньшей степени, чем горизон­тально поляризованные. Антенны с вертикальной поляри­зацией поля должны иметь максимум излучения (и при­ёма), направленный вдоль поверхности земли. Излучение под большими углами к горизонту нежелательно, так как приводит к нерациональной затрате мощности излучения и в диапазоне средних и коротких волн способствует воз­никновению замираний сигнала в пункте приёма вследст­вие интерференции земной и ионосферной волн.

Недостатком связи земными волнами является ограни­ченная дальность, так как за счёт поглощения энергии радиоволны на всём протяжении трассы полупроводящей поверхностью земли и экранирующего действия её кри­визны и неровностей поле сигнала весьма быстро убывает с расстоянием. Потери в земле и дифракционное ослабле­ние уменьшаются с ростом длины волны. Поэтому связь земной волной на сравнительно большие дальности (сотни - тысячи километров) осуществляется в диапазонах сред­них, длинных и сверхдлинных волн. На расстояниях, пре­вышающих несколько тысяч километров, механизм рас­пространения радиоволн изменяется, и для расчёта напря­жённости поля сигнала следует пользоваться формулами, учитывающими волноводный характер распространения между землёй и ионосферой.

Для ближней радиосвязи земными волнами используют­ся также короткие и метровые волны. Дальность радиосвязи на земных волнах существенно за­висит от длины волны, уровня помех, электрических пара­метров земли и сравнительно меньше от мощности передатчика и усиления антенны (пропорционально корню четвёртой и более высокой степени из этих величин). Расчёт линий радиосвязи земными волнами. Оценку эффективности электрических параметров земли достаточ­но произвести лишь в пределах области, существенной для распространения. Её максимальная ширина в середине трассы длиной rсоставляет V(r λ / 3). Наиболее важными являются концевые участки трассы, примыкающие к пере­дающей и приемным антеннам. Именно для концевых учас­тков и следует определять параметры земной поверхности. Учебный вопрос, его содержание. Влияние большей части трассы между концевыми участ­ками имеет значительно меньшее значение. Поэтому, если антенны расположены на сравнительно ровных и откры­тых участках местности, то даже в диапазоне MB можно не считаться с неровностями на трассе, сравнимыми с длиной волны (холмы, овраги, деревья, рощи и т. п.), пола­гая поверхность земли ровной.

В тех случаях, когда концевым участкам трассы можно приписать одинаковые электрические параметры, трасса считается однородной. Если на трассе, особенно на её кон­цах, имеются протяжённые участки, эффективная прово­димость которых различается на порядок и более, для уточнения расчётов трассу следует разделить на два - три участка и воспользоваться формулами неоднородных трасс. Например, в соответствии с таблицей 3 для лесистого участка принимает ε= 4, σ = 10 ^-3 См/м, для заболоченного участка ε = 20, σ = 0,1 См/м. Расчёт параметров радиолинии заданной длины не предс­тавляет затруднений. Определение множителя ослабления для расстояний r^ <20 Vλ_M производится по формулам или графикам плоской земли. При r_m >20 Vλ_M использу­ются формулы и графики сферической земли (они пригод­ны и для малых дальностей).

Особенности распространения радиоволн различных

Частотных диапазонов

 

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ДЛИННЫХ ВОЛН

 

 

Сверхдлинные и длинные волны (А,>1000 м /<3 10⁵ Гц) обладают как нам известно наибольшей способностью огибать выпуклость земного шара Однако практическая возможность держать на этих волнах связь даже с антиподом (на 20 000 км) не может быть объяснена только дифракцией Условия их распространения оказываются благоприятными благодаря наличию ионосферы

Не только уровень Е, но в дневные часы даже уровень D имеют такую плотность ионизации, при которой ДВ способны отражаться при любом) угле падения, в том числе и при вертикальном падении Действительно если взять даже самую высокую из частот ДВ диапазона (/ = 3 10² кГц) и подставить ее значение в формулу (77) получим концентрацию электронов, необходимою для вертикального отражения этой волны

N=f²/81=9 10⁴/81 =10³ электронов на 1 см³ Эта цифра соответствует дневной ионизации области D и на два по рядка ниже дневной ионизации уровня Е Значит, ДВ отражаются от нижних слоев ионосферы при любых углах падения.

Воды океанов и морей и даже влажная почва оказываются для ДВ почти проводником, т е тоже: отражают их при любом угле падения Поэтому физическую картину распространения ДВ следует представить как ряд пооче­редных отражений от нижней границы ионосферы и от земной поверхности Та­кой процесс (см например, ряс 5 27) похож на распространение волн в ги­гантском волноводе, стенками которого служат ионосфера и земная поверхность (рис 711) Именно такое «волноводное» распространение и позволяет объ­явить факты поддержания регулярной длинноволновой радиосвязи на расстоя­ния где только путем дифракции (огибания) выпуклости Земли получить удовлетворительный прием сигналов ока­залось невозможным.

Выгодными свойствами длинновол­новой радиосвязи и радиовещания на ДВ являются сравнительное постоян­ство напряженности поля в пункте при­ема в течение суток, года и 11-летнего периода, а также отсутствие влияния ионосферных возмущений. Это объясня­ется устойчивым существованием обла­сти Е, выше которой (в область ионо­сферных возмущений) длинные волны не заходят. Однако поглощение этих волн приводит к необходимости строить для них очень мощные передатчики (сотни и даже тысячи киловатт мощности в антенне). Это тем более необходимо, если учесть, что длинноволновые ан­тенны, как правило, не имеют направ­ленного действия

Серьезным недостатком длинновол­новой связи оказывается сильное воз­действие на приемники помех, создавае­мых разрядами атмосферного электри­чества, так как эти разряды порождают главным образом длинноволновые колебания Наконец, полоса пропуска­ния длинноволновых линий радиосвязи очень мала (из за низкой несущей час­тоты), на волнах длиннее 2000 м вслед­ствие этого радиотелефония совсем не применяется. Однако это обстоятельство уже не относится непосредственно к за­кономерностям распространения ДВ.

 

РАСПРОСТРАНЕНИЕ СРЕДНИХ ВОЛН

 

Диапазон СВ (1000—100 м) издав­на применяется для радиовещания и для связей торговых кораблей многих стран Характер распространения этих волн уже не будет только волноводным ведь для их отражения плотность ионизации уровня Е не всегда достаточна, а ионизация уровня D вовсе недостаточна Действительно, подставив в формулу (77) крайнее значение частоты СВ (f= 3 10³ кГц), найдем необходимую сте­пень ионизации для их отражения при любом угле падения N=f²/81=9xl0⁶/81=10⁵ электронов в 1 см³ Эта концентрация электронов свойственна уровню Е только в дневные часы В ночные же часы отражение возможно лишь при наклонном падении СВ на границу области Е.

Замечательно следующее в дневные часы энергия СВ очень сильно поглощается областью D, сквозь которую волны проходят дважды — при подходе к уровню Е и при отражении от него. Ночью область D отсутствует, и волны в ней не поглощаются Поэтому в дневные часы СВ практически могут распространяться только как поверхностные (земные), а ночью на более значительных расстояниях от передатчика можно принимать ионосферные СВ Увеличение дальности действия средневол­новых радиостанций в ночные часы очень выгодно для радиовещания Для связи же на СВ требуется круглосуточное прохождение сигналов, а это дости­гается только при приеме земных волн

Участие ионосферы в распространении СВ в ночное время сопровождается некоторыми особенностями Первой из таких особенностей следует считать замирания (резкие уменьшения) силы приема Положим, что в пункте А (рис 7 12) работает передатчик, а в пункте В ведется прием Если днем в пункт В доходяг земные (и только земные) вол ны, то ночью гуда же могут попадать и волны, отраженные ионосферой Тогда в пункте приема поле становится ре­зультатом интерференции (взаимодейст­вия) земных и ионосферных волн При совпадении фаз волн результирующее поле усиливается а при противофазности ослабляется (замирает) Но степень ионизации отражающего слоя и следо­вательно, глубина проникновения в него радиоволн не остаются постоянными Они изменяются по случайному закону (подвергаются флуктуациям) вследствие непостоянства ионизирующего излучения Солнца и наличия воздушных течений В результате этого изменяется длина пути пространственных волн, а значит, и фазовый сдвиг между земной и про­странственной волнами Чем короче вол­на, тем чаще изменения фазовых соот­ношений при флуктуациях длины пути пространственных волн от передатчика до пункта приема Возможны замира­ния и в той зоне, куда земные волны уже не доходят и где взаимодействуют пространственные волны, доходящие разными путями Но такие «дальние» замирания чаще наблюдаются па корот­ких волнах

Вторым неизбежным следствием влияния ионосферы на распростране­ние СВ оказываются колебания силы приема в течение суток На очень близ­ких расстояниях от передатчика, где основным является поле земных волн, сила приема в течение суток практиче­ски не меняется На средних расстоя­ниях, куда земные волны доходят с большим ослаблением, днем прием мо­л-сет быть плохой, а ночью, когда гла­венствует поле ионосферных волн, он улучшается, но сопровождается зами­раниями На больших же расстояниях, куда земные войны практически не до­ходят, прием возможен лишь в темное время за счет ионосферных волн

Для радиолюбителя может представить интерес методика расчета дальности действия (или что одно и то же, напряженности поля) той или иной радиовещательной станции средних волн Здесь возможны следующие пути вычислений

В первую очередь волны излучаемые заземленной передающей средневол­новой антенной, можно условиться счи­тать распространяющимися в свободном «полупространстве», ограни генном снизу идеально проводящей плоской поверхностью Для земных волн это будут «идеальные» условия распространения

Формула (7 2) приобретает в таком слу­чае следующий вид

 

VPD

E = 7,75 ------.

r

Здесь Е — действующее значение напряженности электрического поля ввольтах на метр (у поверхности раздела) на расстоянии r (м) от переда­ющей антенны, которая дает мощность излучения Р (Вт) и имеет в горизон­тальной плоскости коэффициент направленности D Мы видим, что действующее значение напряженности поля увеличилось в V2 раз, что соответствует удвоению мощности излучения Физиче­ски это объясняется следующими сооб­ражениями если мощность излучения сохранена той же, которую давала ан­тенна в свободном пространстве, то те­перь вся эта мощность направляется в полупространство, а потому поток мощности удваивается.

Над реальной выпуклой поверх­ностью Земли и с учетом реальных по­терь энергии в поверхностном слое на­пряженность поля будет несколько мень­ше тех значений, которые вычисляются по формуле (7.8)

 

РАСПРОСТРАНЕНИЕ КОРОТКИХ ВОЛН

Короткие волны (100—10 м) могут распространяться как земными, так и ионосферными лучами Но поглощение энергии радиоволн в земной поверхно­сти возрастает с увеличением частоты, тогда как поглощение в ионосфере с ростом частоты уменьшается Именно поэтому основным видом практически используемого распространения KBcследует считать ионосферное Вдоль зем­ной поверхности KB распространяются на небольшие расстояния При мощно­сти передатчика в десятки и даже в сотки ватт дальность связи земными лучами не превышает десятков кило­метров, особенно для верхней половины KB диапазона (50—10 im)

Радиопередача на KB ионосферны­ми лучами является экономичным способом дальней радиопередачи В нор­мальных условиях состояния ионосферы для отражения лучей KB основной ока­зывается область F, а нижележащие области Е и D создают вредное погло­щение энергии KB Такое «нормальное» прохождение KB изображено на рис 7 13 а, а на рис 713,6 показана воз- мощность увеличения дальности корот­коволновой связи путем «двух скачков», т е двукратного отражения от ионо­сферы (к однократным отражением от Земли) Дальность такой связи опреде­ляется углом, под которым волны па­дают на границу ионосферы (и отра­жаются от нее) чем больше угол па­дения, тем больше дальность «скачка» Экономичность же связи достигается благодаря тому, что при правильно;/ выборе длины волны поглощение энер­гии в ионосфере на KB незначительно (гораздо меньше, чем на СВ), поэтому в пунктах возвращения отраженных волн к Земле напряженность их поля может оказаться достаточной для прие­ма даже при сравнительно небольшой мощности передатчика

Для того чтобы пояснить смысл вы­бора выгодной части KB диапазона, рассмотрим рис 714. Здесь изобра­жаются лучи распространения короткой волны, частота которой выше крити­ческой частоты слоя F ионо­сферы Крутизну падения будем оце­нивать не углом падения δ1 (см рис. 78), а углом возвышения θ, который образован между лучом волн и каса­тельной прямой к поверхности Земли в пункте излучения

При крутом падении (θà-90⁰) волны проходят сквозь ионосферу в космос. При некотором угле θ_Кр (критиче­ский угол для данной степе­ни ионизации слоя и для дан­ной частоты радиоволн) проис­ходит полное внутреннее отражение и луч направляется в ионосфере парал­лельно земной поверхности. При углах, меньших критического, лучи возвраща­ются к Земле, и тем дальше от пункта излучения, чем меньше угол θ. При из­лучении касательно к Земле достигается наибольшая дальность «скачка», состав­ляющая приблизительно 4000 км. Итак, необходимая дальность связи определяет тотугол θ в под которым ан­теннадолжна излучать мак­симум энергии. Зная высоту от­ражающего слоя, легко определить этот угол простым геометрическим построе­нием Для того чтобы получить в наме­ченном пункте приема достаточную напряженность поля ионосферных KB, нужно выполнить следующие два уело вия прохождения этих волн во первых, нужно выбрать такую частоту (длину волны), которая была бы н и ж е мак­симального значения, еще от­ражаемого слоемпри требуе­мом угле возвышения, во вторых, необходимо, чтобы энергия волн этой частоты не поглощалась чрез­мернопридвукратном про­хождении (в верх и вниз) через области Е и D (поглощение умень­шается с ростом частоты)

Значит, выбор частот для коротко­волновой ионосферной связи резко огра­ничен сверху некоторой максималь­но применимой частотой по отражению и не столь резко снизу некоторой минимально применимой частотой по поглощению. Оба этих граничных значения частоты относятся к данным часам суток (т е, к данной степени ионизации области F) ик данной трассе (т е. к углу возвы­шения θ). Описанная нами «нормаль­ная» картина распространения KB позволяет пояснить разницу между «дневными» и «ночными» волнами

Днем для дальних связей приме­няются наиболее короткие волны этого диапазона (примерно от 10 до 25 м); такие волны при малом угле возвыше­ния способны отражаться от слоя F. Конечно, более длинные волны и подав­но стали бы отражаться но при высо­кой дневной ионизации в областях Е и D потери в них были бы слишком боль­шими и потребовалось бы невыгодное увеличение мощности передатчиков

Ночью для дальних связей исполь­зуется нижняя часть KB диапазона (приблизительно от 35 до 100 м), так как при уменьшении ионизации слоя F более короткие волны от него не отра­зились бы даже при пологом падении. Потери же в нижних слоях ионосферы ночью не столь опасны, ибо область Dотсутствует, а ионизация области Е сильно уменьшается

Волны, занимающие участок между дневными и ночными (примерно от 25 до 35 м), успешно применяются для связи в часы восхода и захода Солнца Конечно, точное разграничение этих трех участков KB диапазона невозможно, так как их границы зависят от сезона (лето зима) и от фазы 11-летнего периода солнечной активности

Все сказанное о «нормальном > про­хождении KB убеждает нас в том что экономичность дальней коротковолновой связи получается за счет эксплуатаци­онных осложнений в виде необходимо­сти сменять волну радиостанции не­сколько раз в сутки и притом в нужные часы Но «нормальные» условия прохождения KB в ионосфере наруша­ются рядом дополнительных явлений, характерных для коротковолновой связи наносящих ей ущерб

Если на ДВ основным видом помех, как мы указывали, являются атмосфер­ные разряды, то на KB наиболее угро­жающими оказываются помехи от посторонних передатчиков В оп­ределенные часы суток частоты, пригод­ные для дальней связи, назначаются очень многим радиостанциям, и эти вол­ны распространяются на дальние расстояния, создавая взаимные помехи Ра­зумеется, требование борьбы с помеха­ми от посторонних передатчиков осложняет условия связи

Не менее вредное явление для KBсвязи представляют собой замира­ния, которые на KB бывают более глубокими и следуют друг за другом более часто, нежели на СВ Физическая сущность замирания та же: интерференция волн,доходящих до пункта приема разными п у т я м и и с изменяющимися во времени фазовыми сдвигами Промежутки времени между двумя замираниями (минимума­ми результирующей напряженности по­ля) могут исчисляться и долями секунды, и секундами, и реже десятками секунд, а амплитуда напряженности по­ля (от минимума до максимума) может изменяться в десятки и даже в сот ни раз

В отличие от замираний на СВ, причиной которых чаще всего оказывается интерференция земных лучей с ионосферными, на KBзамирание обычно является результатом взаимодействия не скольких пространственных лучей прошедших разные пути в ионосфере Например, на рис 7.13 был показан при ем лучей, один из которых имел одно, а второй—два отражения Может быть интерференция и между пучками води излученных передатчиком под разными углами и взаимно перекрывающихся в пункте полома Способы борьбы с замираниями разработаны и будут рас сматриваться ниже Разумеется, необ­ходимость такой борьбы усложняет и без того не очень простые условия ионосферной KB связи

Дополнительные помехи при даль­нем KB приеме может создать радио­эхо При обходе сигналов вокруг зем­ного шара путем многократного отражения KB поглощение энергии столь ма­ло, что возможен вторичный прием одного и того же сигнала Такое «прямое кругосветное эхо» наблюдается через 0,13 с после приема основного сиг нала При радиотелеграфном приеме (особенно при быстродействующей работе) эхо способно исказить текст при фототелеграфе — испортить изображе­ние, а при радиотелефонии — ухудшить разборчивость передачи из-за длительных повторов звукового сигнала.

Возможно также «обратное кругосветное эхо», т е вторичный прием сиг­нала, обогнувшего Землю в направле­нии, обратном основному (кратчайшему) направлению связи (рис 7 15) Однако направленность действия передающей и приемной антенн может исключить об­ратное кругосветное эхо

Коротковолновая связь в полярных областях в радиусе 2000—3000 км (от полюсов) нередко нарушается ионосфер­ными возмущениями происходящими преимущественно в слое F Они вызы­вают нерегулярное уменьшение иониза­ции слоя и даже полное его исчезнове­ние на время до нескольких часов Воз­можно и появление дополнительных слоев, и изменение высоты поя F Все эти явления резко ослабляют напряженность поля сигнала, рассчитанного на «нор­мальное» прохождение в ионосфере Для повышения надежности KB связи в полярных районах передатчики ре­комендуется строить с большим запа­сом мощности, с высокой направлен­ностью антенн а прием сигнала осуществлять одновременно на два приемника с разнесенными на местности антеннами Разумеет­ся, ДВ и УКВ линии связи, если имеет­ся возможность их создать более надежны для полярных районов, нежели коротковолновые

Условия KB связи подвергаются су­щественным изменениям по фазам 11-летнего периода солнечной активности Дело в том, что для дневных часов кри­тическая частота слоя F в годы высокой солнечной активности оказывается больше (иногда почти вдвое), чем в годы низкой активности Можно привести следующие приближенныезна­чениякритическихчастот слоя F для средних географических широт (табл. 7 2)

Естественно, что в годы высокой солнечной активности можно и нужно

выбирать повышенные частоты связи, так как они проходят сквозь нижние слои ионосферы с меньшим поглощени­ем Это выгодно для дальних связей Однако в годы высокой активности Солнца более вероятны и всякого рода нерегулярные явления в ионо­сфере (в первую очередь — возмуще­ния), способные нарушить связь

При организации KB связи необходимо учитывать, что между зонами приема поверхностных и пространствен­ных волн может наблюдаться зона молчания. Для передатчика, антен­на которого имеет равномерное излучение в горизонтальной плоскости, это явление представлено в плане на рис 7.16 зона молчания имеет вид кольце­вой площади, разделяющей зоны слышимости Границы этого пояса опреде­ляются минимальной напряженностью поля, еще обеспечивающей прием на фоне помех

Причина существования зоны молча­ния достаточно проста в эту зону зем­ные волны (рис 7 17) уже не доходят, поглощаясь почвой, а ионосферные вол­ны в эту зону еще не доходят, так как отражаются только при падении под углом не меньше критического (см рис 7 14) и возвращаются к Земле за зоной молчания Внутренний радиус зоны мол­чания r зависит, конечно, от мощности излечения поверхностных волн, но в редких случаях превышает сотню километров, внешний же радиус ρ при рабо­те KB станции на дальние расстояния, т е под малыми углами возвышения, может превышать тысячу километров С пунктом, находящимся в зоне молча­ния для данной длины волны и для дан­ной передающей антенны, нельзя добить­ся связи повышением мощности пере­датчика Итак, очень интересные воз­можности, предоставляемые связью на KB, реализуются только при тщатель­ном учете их свойств и особенностей.

 

 

РАСПРОСТРАНЕНИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН

На УКВ достигаются большие воз­можности в технике радиосвязи и ра­диовещания Телевидение, радиолокация, ближняя радионавигация осуществимы только на УК.В благодаря широкой по лосе пропускания радиолиний и высокой направленности антенн

В течение десятилетий применение УКВ ограничивалось требованием пря мой (геометрической) видимости между антеннами передающей и приемной стан­ций, которое вытекает из прямолинейности распространения основного потока энергии этих волн Действительно, дифракция вокруг больших преград почти несвойственна УКВ, а потому они практически не огибают выпуклость земной поверхности В ионосфере же не может быть достигнута такая степень иониза­ции, которая была бы достаточной для нормального отражения УКВ (исключение может быть в годы высокой солнечной активности для нижней части мет нового диапазона — примерно 7—10 м) Именно поэтому УКВ первоначально применялись тля ближних наземных связей для местного радиовещания и телевизионного вещания и для связей самолетов в воздухе

Но наука нашла пути к разрешению противоречия между потребностью в широкой полосе пропускания и ограниченной дальностью прямой видимости Была разработана радиорелейная связь, для которой характерно размещение вдоль ряда промежуточных (ретрансляционных) станций на интервалах прямой видимости между сосед ними антеннами

Промежуточная станция радиорелейной линии, принимая сигналы приходящие с одного направления автоматически переизлучает (ретранслирует) их в другом направлении на иной вот не, таким образом, сигнал «по цепочке» передается от первой оконечной станции ко второй Одновременно по той же ли­нии передаются сигналы от второй око­нечной станции к первой Больше того, одно и то же антенное устройство может служить и для передачи, и для приема сигналов в одном направлении, если эти сигналы имеют, например, разную поляризацию (горизонтальную и вертикальную) Именно поэтому на каждой башне (мачте) на рис 7.20 мы видим лишь по две (а не по четыре) параболические антенны — для обмена с двумя соседними станциями

Радиорелейные линии уплотняются десятками и даже сотнями каналов, т е при телефонной связи могут одно­временно разговаривать большое количество абонентов На крупных линиях имеется до тысячи и более каналов Широкие полосы пропускания аппаратуры УКВ позволяют передавать по ра­диорелейным линиям не только телефон­ные сообщения, но и телевизионные программы между разными городами и раз­ными странами

Если УКВ распространяются в при земном слое воздуха, то они могут ис­пытывать поглощение, ослабляющее на­пряженность поля по сравнению с по­лем при распространении в безвоздушном пространстве Причиной поглоще­ния энергии радиоволн могут явиться капли воды в виде дождя или тумана Правда, практически заметным это по­глощение становится только на волнах короче 3 см

Физически процесс поглощения в каплях воды можно представить как результат наведения в них тока смещения, плотность которых пропорциональна частоте Кроме того граница дождевой полосы или облака как среды с иными параметрами (для воды прони­цаемость ε =80) создает отражение и рассеяние очень коротких волн Линия связи на волне 2 см во время атмосфер­ных осадков становится неустойчивой На волнах миллиметрового диапазона наблюдается значительное поглощение в молекулах водяных паров и затем в мо­лекулах кислорода

Учитывая эти свойства, для радио­передачи вдоль земной поверхности ис­пользуют волны не короче 3 см Напри­мер, телевизионные передачи ведутся на метровых, а в последнее время на деци­метровых волнах Радиорелейные линии работают преимущественно на волнах 3—10 см, а также на дециметровых вол­нах. Связь же между подвижными на­земными объектами (автомобильный и железнодорожный транспорт) осуществ­ляется в основном н а волнах метрового диапазона

Требование прямой (геометрической) видимости между антеннами корреспон­дирующих радиостанций УКВ заставля­ет располагать антенны по возможности выше В стационарных сооружениях для подъема антенн УКВ служат спе­циальные опоры — либо башни, либо мачты Если представить земную по­верхность идеально шарообразной и гладкой (рис 721) и принять высоту подъема одной антенны h1 (в метрах), а другой h2 (в метрах), то предельное расстояние прямой видимости d (в ки­лометрах) вычисляется так

D = 3.57 (Vh1 +Vh2) (7.10)

Так, если обе антенны поднять на высоту h₁=h₂=25 м, то расстояние пря­мой видимое будет не более d = 35,7 км Но энергия, получаемая при­нимающей антенной от передающей, рас­пространяется в некоторой зоне, кото­рая охватывает штриховую прямую, по­казанную на рис 7.21 (в физике эта зо­на называется первой зоной Френеля) Значит, желательно, чтобы между верх­ней точной преграды и прямой линией, соединяющей антенны, был «просвет» хотя бы в несколько метров

Антенны важнейших радиорелейных линий размещаются на башнях высотой до 100 м. Еще выше поднимаются ан­тенны телевизионных передатчиков, за­дача которых — обслужить по возмож­ности широко окружающую местность. Всем известно, что высота Останкинской телевизионной башни составляет 525 м (самое высокое здание в мире).

Связь на УКВ при наличии прямой видимости между антеннами характери­зуется возможностью одновременного воздействия на приемник не только пря­мой волны, но и волны, отражаемой от земной поверхности. На рис 7.22,а по казаны передающая антенна на высоте h₁и приемная антенна на высоте h₂. Луч прямой волны соединяет антенны ai и a2 Луч отраженной волны легко построить, соединив «зеркальное отра­жение» передающей антенны А'1 прямой линией с приемной антенной А2 Это да­ет точку отражения на земной поверхности, в которой углы падения и отражения δ равны между собой

Длина прямого луча r1меньше дли­ны отражаемого луча r2Поэтому в точку A₂ волны по этим двум путям приходят, вообще говоря, в разных фа­зах Разность фаз зависит от разности хода (r₂— r₁) и от длины волны При за­данной длине волны разность хода из­меняется с изменением высот антенн и расстояния между ними Если любую из этих трех, величин изменять плавно, то сдвиг фаз будет периодически ме­няться от 0 до 183°, вновь до нуля и т д. Следовательно, напряженность по ля Е2получит периодические изменения, как показанo для примера на рис 7.22.

Очень интересны возможности связи на УКВ за пределами горизонт а. Такие возможности открыты в по­следние десятилетия и объясняются свойствами атмосферы, приводящими к тем или иным искривлениям лучей УКВ.

Возможны случаи, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой быстрее, чем при нормальном со­стоянии атмосферы. Это особенно часто наблюдается над водной поверхностью влажность воздуха в нижних слоях тро­посферы над волной велика и резко убывает с высотой Тогда луч оказы­вается преломленный настолько сильно, что он может возвратиться к земной поверхности, отразиться от нее, вновь испытать преломление в тропосфере, возвратиться к Земле на удвоенном расстоянии и т д. (рис 7.23) Такой случай дальнего распространения УКВ, создаваемого «сверхрефракцией» в тро­посфере, называется распространением в тропосферном волноводе Для телезрителей прием дальних программ благодаря распространению в тропосферном волноводе может представить большой интерес

Другая возможность дальней и при­том регулярной сравнительно устойчи­вой связи на ЖВ создается рассеянием их энергии в местных (локальных) неоднородностяхтропосферы

Лучи УКВ, проходя сквозь тропо­сферные неоднородности, испытывают частичное отражение рассеянного харак­тера (рис 7.24 а) Рассеянно отражен­ные лучи направляются преимуществен­но вперед и вниз, так что некоторая часть энергии радиоволн достигает Зем­ли на расстояниях, исчисляемых сот­нями километров. Эти расстояния мож­но подсчитать, зная высоту неоднород­ности тропосферы h и построив из этой области две касательные прямые к поверхности Земли (рис 7 24,6) Так, если принять h=3 км, то можно гео­метрически вычислить расстояние (дугу) АВ = 400 км Если в пунктах А к В расположить радиостанции, то можно получить радиолинию тропосферной связи (точнее, линию связи на УКВ с использованием рассеянного отражения в тропосфере) Обычно такие линии рассчитываются на дальности до 200— 300 км, но могут быть и более протя­женные линии (до нескольких тысяч километров)

Однако создание линии тропосфер­ной связи — значительно более сложная задача, нежели линии KB диапазона на то же расстояние Благодаря рассеян­ному -отражению волн от тропосферной неоднородности напряженность поля па­дает с расстоянием более резко, чем при прямой видимости Поэтому требуются значительные мощности передатчиков (от 1 до 50 кВт), антенны больших размеров с высокой направленностью и высокочувствительные приемники Лишь после создания такой аппаратуры и уда­лось открыть явление тропосферного рассеяния

Что касается диапазона частот, при годного дня тропосферной связи, то он включает метровые, дециметровые и часть сантиметровых воли (не испытывающую заметных потерь в атмосфере) Существующие линии тропосферной связи относятся преимущественно к деци метровому диапазону

Связь с использованием тропосферного рассеянного отражения ценится вы­соко благодаря следующим свойствам Во-первых, в отличие от ДВ и KB связи на УКB возможна передача колеба­ний в широкой полосе частот, т е боль­шого числа каналов Во-вторых, эта связь не требует смены длины волны в течение суток, т е в этом отношении выгоднее коротковолновой Однако сила приема в тропосферной линии не о

остается постоянной Для повышения ус­тойчивости уровня сигнала приходится осуществлять прием на два приемника с разнесенными антеннами, как и на KB

Рассеянное отражение УКВ (кон­кретно, метровых) наблюдается также в нижних слоях ионосферы

Ионосферные линии УКВ применя­ются для связи между материками и отдаленными островами при отсутствии подводных телеграфных кабелей или в качестве дублирующего средства Стан­ции требуются большой мощности (де­сятки киловатт) с многовибраторными антеннами синфазного типа Преиму­ществом по сравнению с KB связью на те же расстояния оказывается возмож­ность работать круглосуточно без смены волн. В периоды ионосферных воз­мущений, когда прерывается нормаль­ная связь на KB с отражением от слоя F, неоднородности в нижних областях ионосферы становятся более резкими, и ионосферная связь на метровых волнах даже улучшается.