Особенности распространения ультракоротких волн в приземном пространстве

Общие свойства. К диапазону ультра­коротких волн (УКВ) относят радиоволны длиной от 10 м до 1 мм ( = 30 МГц З 10⁵ МГц). В нижнем пределе частот диа­пазон УКВ примыкает к КВ. Эта граница определена тем, что на УКВ, как правило, не может быть удовлетворено условие отра­жения радиоволн от ионосферы (4.8). В верхнем пределе частот УКВ граничат с длинными инфракрасными волнами. Диапа­зон УКВ делится на поддиапазоны метро­вых, дециметровых, сантиметровых, милли­метровых волн, каждый из которых имеет свои особенности распространения, но основ­ные положения свойственны всему диапазо­ну УКВ. Условия распространения зависят от протяженности линии связи и специфики трассы.

Из-за малой длины УКВ плохо дифра­гируют вокруг сферической поверхности Земли и крупных неровностей земной поверх­ности или других препятствий. Антенны стре­мятся расположить на значительной высоте над поверхностью Земли, так как при этом, во-первых, увеличивается расстояние прямой видимости (см.(2.11),(3.5)) и, во-вторых, уменьшается экранирующее влияние мест­ных предметов, находящихся вблизи антен­ны. При этом, как правило, выполняется условие, при котором высота расположения антенны много больше длины волны и расчет напряженности поля можно вести по интерференционным формулам (2.12),(2.13). Если это условие не выполняется (переносные или автомобильные станции, работающие на мет­ровых волнах), расчет ведут по (2.15).

В диапазоне УКВ земная поверхность может рассматриваться как идеальный ди­электрик, и проводящие свойства земной по­верхности следует учитывать только при распространении метровых волн над морской поверхностью. Поэтому изменение про­водящих свойств почвы (изменение ее влаж­ности) практически не сказывается на распространении УКВ. Но согласно (2.9) даже небольшие неровности земной поверхно­сти существенно изменяют условия отраже­ния УКВ от поверхности Земли.

Распространение УКВ в пределах прямой видимости. Отражение от земной поверхности.При расстояниях, много меньших преде­ла прямой видимости (3.5), можно не учи­тывать влияние сферичности Земли и влия­ние рефракции радиоволн в тропосфере. Ха­рактерными особенностями распространения УКВ при этом являются большая устойчи­вость и неизменность уровня сигнала во вре­мени при стационарных передатчике и при­емнике. Расчет напряженности поля можно вести по формуле Введенского (2.14), если выполняются условия применимости этой формулы.

На линии радиосвязи Земля — самолет или при радиолокационном наблюдении са­молета сигнал флуктуирует благодаря изме­нению угла наблюдения при движении само­лета и изрезанности диаграммы направлен­ности системы излучатель — Земля (см.рис.2.8).

При расстояниях, лежащих в пределах 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.

Радиолокационные отражения. Отраже­ния УКВ от неровной земной поверхности имеют особое значение в радиолокационной технике. В основном они носят рассеянный характер, причем часть отраженной энергии оказывается направленной к источнику. Та­кие отражения чаще всего относятся к ме­шающим сигналам, которые затрудняют распознавание полезных радиолокационных це­лей. Однако отражения от земной поверхности к источнику используются при прове­дении наблюдений за поверхностью Земли с воздуха, например при высотометрии.

Случайные значения амплитуды сигнала, излученного движущимся радиолокато­ром (например, с самолета) и отраженного земной поверхностью, подчиняются закону Рэлея. Только при отражении от спокойной воды и от ровных участков пустыни присутствует постоянная составляющая и закон распределения амплитуд соответству­ет обобщенному закону Рэлея. Кор­реляционная функция сигнала описывается экспоненциальным законом, причем масштаб корреляции зависит как от высо­ты неровностей, так и от скорости движения источника [7].

Распространение УКВ над пересеченной местностью и в городах.Обычно вдоль линии связи на УКВ име­ются большие или малые неровности, кото­рые влияют на распространение радиоволн. В общем случае учесть это влияние не пред­ставляется возможным. Для расчета напряженности электрического поля в каж­дом конкретном случае необходимо постро­ить профиль трассы и в зависимости от ха­рактера этого профиля вести расчет тем или иным методом. Рассмотрим несколько при­меров профилей трасс.

Трасса, проходящая над небольшими пологими холмами. На (рис.5.5,а), изображен профиль трассы, при котором передающая антенна расположена на пологом склоне холма. В этом случае к приемной ан­тенне могут прийти прямой луч АВ и три отраженных луча , и . При расчете напряженности электрического поля следует учитывать разность фаз этих лучей, обусловленную разностью хода и раз­ными условиями отражения в точках , , и . В результате рассмотрения такой картины можно получить выражение для расчета напряженности поля, аналогичное интерференционным формулам, но более сложное. На рис 5.5,б изображен профиль, при котором имеется возвышенность в середине трассы. В простейшем случае в точку В приходит только один луч, отражающийся в точке С. Для расчета такой трассы удобно ввести понятие приведенных высот антенн h_1пр и h_2пр и свести задачу к известному случаю распространения радиоволн над фиктивной плоскостью, касательной к поверхности Земли в точке отражения.

Рис. 5.5. Распространение УКВ в пересеченной местности:

а – одна антенна находится на пологом склоне; б – пологая возвышенность в середине трассы

Рис. 5.6. Распространение УКВ на трассе с препятствием, открытая и закрытая трассы (а); зависимость множителя

ослабления V от параметра z (б)

Рис. 5.7. Схема трассы с «усиливающим препятствием»

Трасса, проходящая над высоким хол­мом или горным кряжем. Для приближен­ного определения напряженности поля на трассе, имеющей высокий холм или горный кряж, можно воспользоваться теорией дифракции электромагнитных волн на непроз­рачном клиновидном экране. Если препятст­вие не перекрывает линии прямой видимо­сти между антеннами, то трасса называется открытой; когда препятствие поднимается выше линии прямой видимости, трасса называется закрытой (рис.5.6,а ).

Если препятствие хотя бы частично перекрывает первую зону Френеля (1.5), интенсивность электромагнитного поля на трассе изменяется. При применении остронаправленных антенн излученные волны не попадают на ровные участки земной поверх­ности и напряженность поля за препятствием определяется формулой E_m = E_{m cв} V, где E_{m cв} находится по (1.1).

Множитель ослабления V зависит от длины волны и «просвета» d, который при­нято считать положительным при закрытой трассе и отрицательным при открытой трассе. На рис.5.6,б изображена зависимость множителя ослабления V от пара­метра z :

.

На трассах УКВ протяженностью при­мерно 100—150 км, проходящих через гор­ные кряжи высотой 1000—2000 м, наблюда­ется явление, называемое усиление препятствием. Это явление заключается в том, что интенсивность электромаг­нитного поля радиоволны при некотором удалении за препятствие оказывается больше, чем на том же расстоянии от передат­чика на трассе без препятствий. Объяснить усиление препятствием можно тем, что вер­шина горы служит естественным пассивным ретранслятором (рис. 5.7). Поле, возбуждающее вершину горы, складывается из двух волн — прямой АС и отраженной ADC. Волны дифрагируют на острой вершине го­ры, как на клиновидном препятствии, и рас­пространяются в область за гору. При этом к месту расположения приемной антенны В придут два луча СЕВ и СВ. Следовательно, на участках трассы передатчик — гора и го­ра — приемник распространение идет в пределах прямой видимости. При отсутствии препятствия на расстоянии 100—150 км, на­много превышающих предел прямой види­мости, к месту приема доходит только весь­ма слабое поле, обусловленное дифракцией на сферической поверхности Земли и ре­фракцией. Расчеты и эксперименты показы­вают, что такое препятствие — ретрансля­тор может дать усиление напряженности электрического поля на 60—80 дБ.

Использование явления усиления пре­пятствием оказывается экономически выгод­ным, избавляя от, необходимости устанавли­вать высокогорные ретрансляционные стан­ции.

На некоторых радиорелейных линиях, проходящих в равнинной местности, соору­жают искусственное усиливающее препятст­вие в виде сетки или системы проводов, что дает выигрыш в мощности и позволяет уменьшить высоту антенных мачт.

Распространение УКВ в пределах боль­шого города. Большой город можно рас­сматривать как сильно пересеченную мест­ность. Многочисленные опыты показали, что в среднем напряженность поля метро­вых и дециметровых волн в городе меньше, чем на открытой местности, примерно в 3—5 раз. Поэтому грубую оценку среднего уровня напряженности поля на этих волнах можно производить по (2.14), вводя в нее множитель 0,2—0,4. В сантиметровом диапа­зоне волн ослабление еще сильнее.

Если имеется прямая видимость между передающей и приемной антеннами, то расчет можно вести по (2.14), причем высоту расположения антенны следует отсчитывать от среднего уровня крыш.

Внутри помещений структура поля яв­ляется еще более сложной и практически не поддается расчету. Измерения напряженно­сти поля внутри помещения показали, что в помещениях верхних этажей напряженность поля составляет 10—40% напряженности поля над крышей, а в первом этаже - 3— 7% этой величины.

Распространение УКВ на большие расстояния в условиях сверхрефракции. При расстояниях, превышающих рас­стояние прямой видимости, напряженность поля радиоволн резко убывает. На этих расстояниях распространение происходит вследствие дифракции радиоволн вокруг сферической поверхности Земли, рефракции радиоволн в тропосфере и рассеяния их на неоднородностях тропосферы.

Резкое увеличение дальности распро­странения УКВ происходит, когда область сверхрефракций занимает зна­чительные расстояния над земной поверхно­стью. В этом случае радиоволна распро­страняется путем последовательного чередо­вания двух явлений: рефракции в атмосфере и отражения от земной поверхности. Та­кой вид распространения волн получил наз­вание атмосферного волновода. Но при этом от атмосферы отражается только часть энер­гии волны, которая используется для приема, а остальная, преломляясь, уходит через верхнюю стенку волновода (рис. 5.8). Для атмосферного волновода определенной вы­соты по аналогии с металлическим волново­дом имеется некоторая критическая длина волны. Волны длиннее критической быстро затухают и не распространяются. Критиче­ская длина волны l_кр (м), связана с высо­той волновода h_в (м), соотношением

Высота атмосферных волноводов h_в достигает несколько десятков метров, следо­вательно, волноводное распространение воз­можно только для сантиметровых и деци­метровых волн.

В условиях волноводного канала толь­ко наиболее пологие лучи отражаются от стенок канала, а более крутые лучи проса­чиваются сквозь стенки. Если передатчик и приемник находятся в пределах волновода, то прием УКВ оказывается возможен на больших расстояниях. В противном случае дальность приема может даже уменьшиться по сравнению с условиями нормальной ре­фракции.

Атмосферные волноводы появляются нерегулярно и поэтому обеспечить устойчивую радиосвязь на больших расстояниях на волноводном распространении УКВ нельзя. Но это явление может служить причиной создания взаимных помех станциями, рабо­тающими в сантиметровом диапазоне волн и даже разнесенными на большие расстояния. Кроме того, появление атмосферного волновода может создавать помехи для ра­боты радиолокационных станций обнаруже­ния самолетов. Например, самолет, находя­щийся выше атмосферного волновода, мо­жет быть не обнаружен из-за того, что ра­диоволны отразятся от стенки волновода.

Рассеяние УКВ на неоднородностях тропосферы.Неоднородности тропосферы представляют собой области, в которых ди­электрическая проницаемость отличается от среднего значения для окружающей тропосферы. Под действием поля проходящей волны в каждой неоднородности тропосферы на­водятся токи поляризации и создается элек­трический момент. В результате неоднородности действуют как вторичные излучатели. Вторичное излучение совокупности неоднородностей можно характеризовать некото­рой диаграммой направленности с максиму­мом излучения в сторону первоначального движения волны.

Рис. 5.8. Распространение УКВ в условиях атмосферного волновода

Рис. 5.9. Схема линии радиосвязи, использующей тропосферное рассеяние

Поле, созданное вблизи земной поверх­ности, есть результат интерференции полей, переизлученных большим числом неоднородностей. Вследствие изменения структуры и местоположения неоднородностей поле не­прерывно флуктуирует и является случайной функцией времени. Характер распределения мгновенных значений уровня сигнала зави­сит от среднего уровня сигнала. Чем уро­вень меньше, тем ближе закон распределе­ния к рэлеевскому. При больших уровнях сигнала мгновенные значения его амплитуды распределены по обобщенному закону Рэлея, что свидетельствует о наличии в месте приема помимо быстро ме­няющейся компоненты сигнала медленно меняющейся регулярной компоненты, полученной путем отражения от слоистых неоднородностей тропосферы.

Работу линии связи, использующей рас­сеяние радиоволн на неоднородностях тро­посферы, можно объяснить следующим. В результате пересечения в пространстве диаграмм направленности передающей и приемной антенн, условно ограниченных прямыми AD—AС₁ и BD—BC (рис. 5.9), образуется объем атмосферы CDС₁D₁, называемый рассеивающим объемом. Он и участвует в передаче радиоволн от пункта А к пункту В. Для увеличения на­пряженности электрического поля в месте приема стремятся к уменьшению угла меж­ду направлением первоначального движения волны и направлением в точку приема (угол q на рис. 5.9).

Характерной особенностью рассматри­ваемых линий связи является их узкополосность. Максимальная ширина полосы частот, которая может быть передана без искаже­ний, определяется временем запаздывания луча АСВ относительно луча AC1B, т. е. шириной диаграмм направленности антенн. Практически с допустимыми искажениями можно передать полосу частот в 1—2 МГц.

Расчет мощностина входе приемной антенны на линии связи, использующей тро­посферное рассеяние, разработан советски­ми учеными под руководством Б. А. Введенского и М. А. Колосова [7].

Для борьбы с замираниями прием производится на разнесенные (две или четыре) антенны. Сигналы, принятые на эти антенны, складываются после детектирования.

Используется также разнесение по частоте, когда одна и та же информация одновременно передается на частоте ₁ и частоте ₂ = ₁ + D , причем D / = (2 5) 10^-3. Замирания на этих двух частотах не коррелированны. Ведут прием либо наиболее силь­ного из двух сигналов, либо сигналы скла­дываются после детектирования.

Рассеяние и отражение метровых волн в ионосфере. Ионизированные слои характеризуются большой неоднородностью. Наличие мест­ных объемных неоднородностей ионосферы приводит к рассеянию УКВ, которое проис­ходит аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы.

Рассеяние радиоволн происходит на вы­соте 70—90 км, что ограничивает макси­мальную протяженность линии радиосвязи расстоянием в 2000—2300 км. Основная часть энергии волны, падающей на ионосфе­ру, рассеивается в направлении первона­чального движения волны. Чем больше угол, составляемый направлением на приемную антенну с направлением первоначального движения волны, тем меньше уровень мощ­ности рассеянного сигнала. Поэтому прием возможен только на расстояниях более 800—1000 км. Напряженность поля рассеян­ного сигнала убывает с повышением рабо­чей частоты и применимыми для связи ока­зываются волны частотой 30—60 МГц. Сигналы при этом виде радиосвязи на метровых волнах подвержены быстрым и глубоким замираниям.