Ослабление радиоволн в атмосфере. Помехи радиоприему

Ослабление в газах. При распространении радиоволн короче 3...4 см (частота больше 7...10 ГГц) в земной атмосфере происходит дополнительно к потерям в свободном пространстве ослабление поля за счет поглощения в газах. Различают нерезонансное и резонансное поглощения.

Нерезонансное поглощение вызывается затратой энергии воздействующего поля на преодоление сил трения между молекулами, возникающими при вынужденном колебательном движении молекул под действием поля.

Резонансное поглощение связано с тем, что по законам квантовой механики каждая молекула того или иного вещества может поглощать (или излучать) только свои собственные наборы квантов энергии или соответствующие им наборы (спектры) частот.

При совпадении частоты поля с одной из дискретных частот внутримолекулярных переходов происходит поглощение энергии внешнего поля, в результате чего молекула переходит в более высокое энергетическое состояние. Из всех составляющих атмосферного газа в радиодиапазоне расположены спектры поглощения только кислорода и водяных паров.

Ослабление напряженности поля в кислороде и водяных парах измеряют модулем множителя ослабления в газах , который обычно выражают в децибелах.

На рисунке 15 приведены рассчитанные зависимости и (коэффициенты ослабления вблизи поверхности Земли для водяного пара и кислорода при горизонтальном распространении волны относительно поверхности Земли) от частоты при средних метеорологических условиях. Из рисунка видно, что водяной пар имеет полосы поглощения с центрами поглощения вблизи частот 22,183 и 320 ГГц, а кислород - вблизи частот 60 и 120 ГГц. На космических линиях путь распространения волны проходит через всю толщу тропосферы. На такой трассе распределение кислорода и водяных паров изменяется по высоте.

Рисунок 15. Зависимости и от частоты при средних

метеорологических условиях

Кроме того, космический аппарат перемещается относительно наземного пункта и длина пути распространения изменяется в зависимости от угла возвышения траектории ∆ относительно линии горизонта. На рисунке 16 приведены рассчитанные значения множителя ослабления на различных частотах при разных углах ∆, справедливые для спокойной тропосферы, когда волна проходит всю ее толщу.

Рисунок 16. Рассчитанные значения множителя ослабления на различных частотах при разных углах ∆

Ослабление в осадках. Различные атмосферные образования в виде конденсированных водяных паров - дождя, тумана, облаков, града, снега, которые состоят из отдельных частиц - капель, льдинок (гидрометеоров), являются причиной ослабления напряженности поля радиоволн. Ослабление вызывается, во-первых, нерезонансным поглощением в частицах и, во-вторых, рассеянием энергии на частицах. Ослабление может также происходить за счет отражения от резко очерченной полосы осадков. Ослабление в осадках начинает сказываться на частотах f > 6 ГГц (λ < 5 см) и особенно существенно на частотах более 10 ГГц. При этом основное значение имеет ослабление в дожде, а также в тумане и облаках.

На рисунке 17 приведены зависимости коэффициента ослабления в дожде γ_д от частоты при различной его интенсивности J_д. Видно, что γ_д возрастает при увеличении поля и интенсивности дождя.

Рисунок 17. Зависимости коэффициента ослабления в дожде γ_д от частоты при различной его интенсивности J_д

Ослабление в тумане и облаках зависит от количества воды в единице объема, а также от температуры воздуха и частоты распространяющейся волны.

Помехи радиоприему. Классификация источников внешних помех. Полная мощность шума на входе приемника. Работа любой радиолинии проходит в условиях, когда на вход приемного устройства кроме полезного сигнала всегда воздействуют и внешние помехи. К внешним помехам (шумам) обычно относят: шумы космического происхождения; шумы, вызванные радиоизлучением поверхности Земли; атмосферные помехи, возникающие в результате разрядов молний; промышленные помехи, обусловленные излучением различных промышленных и бытовых электрических установок; помехи станций при работе нескольких радиолиний на одинаковых или близких частотах.

Названные виды помех имеют свои особенности, основной из которых является различная зависимость интенсивности от частоты. Поэтому при расчете конкретных радиолиний обычно учитывают не все, а лишь преобладающие в данном диапазоне виды внешних помех.

По своей пространственной протяженности внешние помехи можно разделить на дискретные и протяженные. К источникам дискретных шумов относят такие, угловые размеры которых меньше ширины ДН приемной антенны. Остальные источники, излучение которых распределено в широком интервале углов, относят к протяженным. Для реально используемых антенн дискретными источниками обычно являются Солнце, Луна, радиозвезды, планеты. При определении энергетического потенциала радиолиний помехи от дискретных источников учитывают только в тех случаях, когда по условиям работы их излучение должно длительное время восприниматься главным лепестком или сильными боковыми лепестками ДН приемной антенны.

Интенсивность источников внешних помех оценивают различными параметрами. На частотах выше примерно 100 МГц основным параметром, используемым для этой цели, является яркостная температура. Яркостной температурой Т_я источника шума называется температура абсолютно черного тела, создающего в пункте приема такую же спектральную плотность излучения, как и реальный источник. Реально внешние шумы неравномерно распределены в пространстве, поэтому яркостная температура является функцией угловых координат: Т_я(∆, φ), где ∆ и φ - сферические угловые координаты (центр сферы находится в точке наблюдения).

Уровень шума на выходе приемной антенны зависит как от Т_я (∆, φ), так и от направленных свойств приемной антенны. Для оценки мощности шума на выходе приемной антенны вводят понятие шумовой температуры антенны. Шумовой температурой антенны называется температура сопротивления, равного входному сопротивлению приемника, при которой на входе приемника выделяется та же мощность шума, что и от реального внешнего источника.

Шумовая температура антенны (антенная температура) определяется интегралом по полному телесному углу из точки расположения приемной антенны:

где - коэффициент усиления приемной антенны;

Точное интегрирование для реальных характеристик и вызывает большие трудности. На практике часто встречаются два случая:

1. В пределах ДН антенны яркостная температура почти постоянна. В этом случае в величину Т_я можно вынести за знак интеграла. Кроме того, соотношение - нормированная диаграмма направленности антенны, позволяет вывести за знак интеграла . Тогда

Теперь учтем, что , и получим простое соотношение Т_шА= Т_я. Этот случай наиболее характерен при приеме шумов протяженных источников узконаправленными антеннами с низким уровнем боковых лепестков.

2. Угловые размеры источника помехи малы по сравнению с шириной ДН антенны, т.е. телесный угол источника Ω_и много меньше телесного угла диаграммы антенны . При этом можно считать, что в пределах телесного угла источника G(∆, φ) = const и Т_щА ≈ T_ср Ω_и/Ω_А, где Т_ср - среднее значение яркостной температуры источника шума. Этот случай обычно имеет место при приеме излучений дискретных источников.

Определив суммарную шумовую температуру антенны, обусловленную действием всех источников, можно рассчитать полную мощность внешних шумов, создаваемых в нагрузке антенны: где k= =1,38·10^-23Вт·Гц^-1·град^-1 - постоянная Больцмана; ∆f - эквивалентная шумовая полоса приемника.

Рисунок 18. Зависимости Т_шпр от частоты для приемников с различными

типами входных элементов

Кроме внешних шумов на вход приемного устройства воздействуют и внутренние шумы, обусловленные тепловым излучением электронов в материале фидера и элементах приемника, которые также характеризуются шумовой температурой. Шумовая температура фидера Т_шф зависит от его термодинамической температуры Т_ф и коэффициента полезного действия ƞ_ф и определяется: Т_шф= Т_ф(1 - ƞ_ф). Шумовая температура приемника Т_шпр, обусловленная внутренними шумами, зависит от типа и конструкции его входных цепей. Для общей оценки на рисунке 18 приведены зависимости Т_шпр от частоты для приемников с различными типами входных элементов: 1 - транзисторы; 2 - диодные смесители; 3 - туннельные диоды; 4 - электронные лампы, 5 - лампы бегущей волны, 6 - параметрические усилители, 7 – мазеры, охлаждаемые жидким азотом; 8 - мазеры, охлаждаемые жидким гелием. Таким образом, полная шумовая температура на входе приемника

Физически величина Т_ш показывает, до какой температуры следует нагреть активное сопротивление, равное входному сопротивлению приемника, чтобы мощность шумов, выделяемых на этом сопротивлении, была равна мощности всех шумов системы, измеренной в той же полосе частот (обычно 1 Гц). Полная мощность шумов на входе приемника

На частотах ниже 100 МГц интенсивность внешних помех оценивается, как правило, по напряженности поля Е_п в полосе частот 1 кГц. В этом случае, напряжение ненаправленных (протяженных) помех на входе согласованного приемника где ∆f - полоса частот, в которой производится прием, кГц; - действующая длина приемной антенны. Мощность, развиваемая внешними помехами на входе приемника определяется, как ,где - волновое сопротивление фидера.

Характеристики источников внешних помех (шумов). Шумы космического происхождения. Космическое (галактическое) радиоизлучение состоит из общего фона и излучения дискретных источников. Общий фон имеет непрерывное, хотя и неравномерное, пространственное распределение и обладает непрерывным частотным спектром. Космический фон образуется за счет, как теплового радиоизлучения межзвездного ионизированного газа, так и нетеплового излучения, возникающего в результате неравномерного движения заряженных частиц в межзвездных магнитных полях.

Яркостная температура космического фона Т_як неравномерно распределена в пространстве: максимум излучения наблюдается в направлении Млечного Пути. На рисунке 19 представлена зависимость Т_як от частоты, из которой следует, что при увеличении частоты интенсивность космического фона падает и на частотах более 1 ГГц она пренебрежимо мала.

Среди дискретных источников космического излучения наиболее ярким является Солнце. Значительную интенсивность имеют также Юпитер, Венера, Луна. На рисунке 20 приведены зависимости яркостной температуры некоторых дискретных источников от частоты. Наиболее ярким источником космического излучения является Солнце (кривые 1 и 2 соответственно при минимальной и максимальной активности Солнца).

Значительную интенсивность имеют также Юпитер (кривая 3), Венера (кривая 4), Луна (кривая 5).

Рисунок 19. Зависимость Т_як от частоты

Радиоизлучение атмосферы. Основными источниками радиоизлучения в атмосфере являются кислород, водяной пар и гидрометеоры. Можно выделить нерезонансное и резонансное излучения атмосферы.

Рисунок 20. Зависимости яркостной температуры некоторых дискретных источников от частоты

Нерезонансное излучение обусловлено хаотическим (тепловым) движением молекул. Резонансное излучение возникает при самопроизвольном (спонтанном) переходе молекул из состояния с большим энергетическим уровнем в состояние с меньшим энергетическим уровнем. Резонансные частоты излучения совпадают с линиями поглощения.

Интенсивность атмосферного радиоизлучения в определенном направлении зависит от метеорологических условий и толщи атмосферы в этом направлении, которая связана с углом возвышения (углом места) ∆. При увеличении ∆ толща атмосферы, создающая шум, уменьшается и, следовательно, уменьшается яркостная температура атмосферы Т_я.

Радиоизлучение земной поверхности. Поверхность Земли, как и всякое нагретое тело, является источником электромагнитного излучения в очень широком диапазоне частот. Яркостная температура радиоизлучения земной поверхности Т_язм может быть определена как где = 290 К - термодинамическая температура Земли; R - коэффициент отражения от Земли.

Антенная температура, обусловленная радиоизлучением Земли, зависит не только от яркостной температуры , но и от ориентации и формы ДН антенны. При использовании антенн с достаточно узкой ДН для уменьшения влияния радиоизлучения земной поверхности целесообразно работать при углах возвышения В этом случае излучение Земли будет приниматься не главным, а только боковыми лепестками ДН приемной антенны. Одним из основных требований к наземным антеннам на космических линиях является требование минимального уровня боковых лепестков ДН.

Атмосферные помехи. Атмосферные помехи обусловлены электромагнитным излучением, возникающим при грозовых разрядах. Разряд молнии является мощным источником излучения с широким непрерывным спектром частот. Максимальная интенсивность изучения соответствует области звуковых частот. В диапазоне радиоволн интенсивность излучения убывает примерно обратно пропорционально частоте и, следовательно, атмосферные помехи оказывают тем меньшее влияние на работу радиолиний, чем выше частота.

Промышленные помехи. Промышленные (индустриальные) помехи обусловлены излучением промышленных, транспортных, бытовых и других электрических установок. В городе они лимитируют условия приема на частотах примерно от 1 до 100...300 МГц. Уровень индустриальных помех меняется в зависимости от насыщенности того или иного района электрическими установками, принятых мер по экранировке излучений. Усредненные уровни помех этого вида в больших городах и пригородах можно оценить по графикам, приведенным в справочниках.

Помехи станций. В настоящее время количество радиосредств различного назначения настолько велико, что многие из них вынуждены работать на одинаковых или близких частотах, в результате чего возникают взаимные помехи (помехи станций). Несмотря на применение организационных и технических мероприятий, направленных на улучшение электромагнитной обстановки, помехи станций весьма существенны, а в некоторых диапазонах они являются преобладающими. Методы количественной оценки уровня помех станций различны в разных диапазонах волн.

В диапазоне УКВ вследствие особенностей распространения этих волн радиус действия мешающих станций ограничен. Поэтому имеется возможность оценить уровень помех расчетным путем, учитывая условия распространения, пространственное расположение и технические характеристики мешающих станций. Расчет может производиться теми же методами, что и расчет уровня полезного сигнала.

Контрольные вопросы:

1. Поясните физическую сложность процесса ослабления поля в условиях свобод­ного пространства.

2. От каких параметров линии зависит мощность на входе приемника радиолинии первого типа?

3. От каких параметров линии зависит мощность на входе приемника радиолинии второго типа?

4. Что такое множитель ослабления поля свободного пространства?

5. Что называется, потерями и основными потерями передачи в условиях свобод­ного пространства?

6. Что такое существенный эллипсоид для распространения и почему его размеры зависят от длины волны?

7. К какому типу (первому или второму) относят радиолинии, использующие ак­тивную ретрансляцию через ИСЗ?

8. Какие физические процессы сопровождают РРВ вдоль земной поверхности?

9. Поясните принцип отражательной трактовки влияния Земли.

10. Какие ограничения в применении отражательной трактовки появляются в связи с наличием существенной области для отражения?

11. От каких параметров трассы зависит интерференционная структура поля земной волны?

12. Каков принцип деления трассы распространения земной волны на три зоны при высоко поднятых и низко расположенных антеннах относительно поверхности Земли?

13. Поясните закономерности поля земной волны в зоне тени при низко расположенных антеннах.

14. Почему УКВ гораздо сильнее ослабляются при распространении за линию горизонта, чем средние и длинные волны?

15. Какие физические процессы сопровождают распространение радиоволн вдоль земной поверхности?

16. Чем объясняется частотная зависимость ослабления поля в газах?

17. Какими параметрами оценивается интенсивность внешних помех в различных диапазонах радиоволн?

18. Дайте характеристику внешних помех от различных источников.

19. Какие виды внешних помех являются преобладающими в различных диапазонах волн?

20. Какие виды шумов являются преобладающими на космических радиолиниях.