Декаметровый диапазон радиоволн

Декаметровый диапазон радиоволн

1. Общая классификация радиоволн по диапазонам и областям применения

Деление радиочастот и радиоволн на диапазоны, установлено международным регламентом радиосвязи. При этом ширину спектра соответствующего диапазона определяют по формуле:

.

В соответствии с этим регламентом весь спектр электромагнитных волн (ЭМВ) и частот делят на ряд диапазонов, номера которых «n» определяют их нижние (исключительно) 0,3*10ⁿ Гц и верхние (включительно) 3*10ⁿ Гц частоты. При этом часть свободно распространяющихся в природных условиях ЭМВ, использующихся в радиотехнике для передачи сигналов, называют радиоволнами. К радиоволнам относятся диапазоны, наименование и параметры которых приведены в таблице 1.

Эволюцию практического использования диапазонов радиоволн можно обозначить несколькими этапами.

На первом этапе развития радиотехники (примерно до 1918 года), потребности радиосвязи удовлетворялись в основном за счёт использования диапазонов СДВ и ДВ. Электромагнитные волны указанных диапазонов обладают хорошим круглосуточным распространением вокруг Земли и поэтому наиболее пригодны для систем глобальной радиосвязи, радионавигации и морской подвижной радиосвязи.

В то же время, к недостаткам практического использования указанных диапазонов следует отнести: громоздкостью антенных устройств, наличие высокого уровня атмосферных и промышленных помех, низкую пропускную способностью радиотракта.

На втором этапе (примерно до 1940 года), с появлением и развитием таких областей прикладной радиотехники как: радиосвязь и радиовещание, радионавигация и радиолокация, возникла необходимость в использовании более высокого диапазона радиочастот.

Таблица 1. Диапазоны радиочастот и радиоволн, установленные международным регламентом радиосвязи

В частности, стали осваиваться СВ, имеющие те же преимущества и недостатки (но менее выраженные), что и ДВ, а также KB, которые на большие расстояния распространяются путём многократного отражения от земной поверхности и ионосферы.

Радиоволны КВ диапазона оказались пригодными не только для глобальной радиосвязи и радиовещания, но и для различных систем подвижной и радиолюбительской связи. Однако в точку приёма радиоволны КВ диапазона как правило приходят различными путями, что приводит к явлению интерференции ЭМВ и, как следствие, к быстрым и глубоким изменениям уровня принимаемого сигнала.

Наконец на третьем, современном этапе, когда быстрыми темпами продолжают развиваться прежние службы радиосвязи и появились новые (подвижная и космическая радиослужбы, телеметрия, телеуправление и др.), радиоспециалисты были вынуждены обратиться и к остальным диапазонам радиоспектра.

Самое широкое применение в различных областях практической деятельности человека нашли MB. Электромагнитные волны этого диапазона слабо подвержены таким явлениям как дифракция и рефракция, но, в то же время, испытывают сильное ослабление при распространении вдоль поверхности Земли. В диапазоне МВ уровень атмосферных и индустриальных радиопомех значительно меньше, чем в выше рассмотренных диапазонах и поэтому доминирующими становятся помехи космического происхождения.

Распространение ДМВ и СМВ, так же как и МВ ограничивается, как правило, областью прямой видимости. Однако за счет механизма рассеяния и отражения электромагнитных волн слабыми неоднородностями тропосферы, экспериментально обнаруженного в начале 50-х годов, радиосвязь в этих диапазонах может осуществляться и на значительно большие расстояния, чем расстояние прямой видимости.

ДМВ и СМВ используются, как правило, в радиолокации, радионавигации, телевидении, в системах радиорелейной, тропосферной и космической связи, так как в этих диапазонах острую направленность антенн можно получить в совокупности с относительно небольшими их габаритами. Кроме этого, практическое отсутствие в диапазонах ДМВ и СМВ индустриальных радиопомех, а также слабой зависимости условий распространения ЭМВ от метеорологических условий, времени суток и года, увеличивает привлекательность их дальнейшего использования.

Несмотря на многолетние исследования, ММВ и ДММВ используются пока еще недостаточно широко. Основной причиной отсутствия значительного прогресс в области их практического применения является сильная зависимость условий распространения ЭМВ указанных диапазонов от дождя, снега, тумана, облаков, пылевых образований и других природных явлений.

Следует подчеркнуть, что нарезание одинаковых по перекрытию участков (10:1) придаёт современной системе классификации несколько формальный, искусственный характер.

Резкие разграничения в свойствах волн различных диапазонов при таком подходе отсутствуют, и сами диапазоны плавно переходят один в другой. Тем не менее, благодаря четкости и простоте, такое деление полностью оправдало себя.

2. Механизмы и зоны распространения радиоволн

Одной из важнейших характеристик любой реальной радиолинии, является преобладающий способ распространения электромагнитной волны. Он ограничивает максимальную дальность связи и скорость передачи информации, определяет медианный множитель ослабления, период и глубину замираний сигнала, условия ЭМС различных радиоэлектронных средств и т. д.

В принципе, в природе существует единый процесс возбуждения электромагнитного поля во всём окружающем пространстве. Однако в общем случае строгий метод расчета такого поля в настоящее время недоступен. В то же время, на реальных радиотрассах большая часть энергии поля сигнала переносится в пункт приёма за счет одного преобладающего механизма распространения. Поэтому классификацию ЭМВ по способу их распространения целесообразно увязывать с такими присущими им явлениями как рефракция, дифракция, рассеяние, отражение и преломление показанными на рисунках.

С учетом влияния явлений рефракции, дифракции, рассеяния, отражения и преломления явлений радиоволны, излучаемые передающей антенной могут распространяться в атмосфере Земли, вдоль ее поверхности, в толще Земли и в космосе, достигая точки приема по разным траекториям.

В зависимости от вида траектории ЭМВ различают:

2) поверхностные РВ;

4) ионосферные РВ;

3) тропосферные РВ;

1) прямые РВ;

Поверхностные волны — радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли и частично огибающие выпуклость земного шара вследствие явления дифракции.

Ионосферные волны — радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния в результате однократного или многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли.

Тропосферные волны — радиоволны, распространяющиеся на значительные (примерно до 1000 км) расстояния за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы.

Прямые волны — это радиоволны, распространяющиеся в однородной или слабонеоднородной среде, в частности, в космическом пространстве, по прямолинейным (или близким к ним) траекториям.

3. Особенности распространения радиоволн декаметрового диапазона

При распространении декаметровых волн (КВ) энергия поверхностной волны сильно поглощается земной поверхностью, особенно над пересеченной местностью.

Явление дифракции на коротких волнах не играет заметной роли, поскольку эти волны поглощаются обычно раньше, чем станет ощутимой кривизна земли.

Величина напряженности поля поверхностной волны в пункте приема зависит от направленности передающей антенны. На более коротких волнах этого диапазона сказывается также высота подъема передающей и приемной антенн над землей. Дальность распространения поверхностной волны обычно не превышает десятков километров, особенно для верхней половины диапазона (50−10 м).

Радиосвязь на коротких волнах (KB) ионосферными лучами является весьма экономичным способом дальней связи. В нормальных условиях состояния ионосферы для отражения лучей KB основной оказывается область F, а нижележащие области Е и D создают вредное поглощение энергии КВ.

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 связи достигается благодаря тому, что при правильном 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.

При крутом падении 9% 90° волны проходят сквозь ионосферу в космос. При некотором угле (критический угол для данной степени ионизации слоя и данной частоты) 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 q.

При излучении касательно к Земле достигается наибольшая дальность скачка, составляющая приблизительно 4099 км. Необходимая дальность связи определяет тот угол q, под которым антенна должна 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 условия прохождения этих волн:

· во-первых, выбрать такую частоту, которая была бы ниже максимального значения, еще отражаемого слоем при требуемом угле возвышения;

· во-вторых, необходимо, чтобы энергия волн этой частоты не поглощалась главным образом вследствие интерференции поверхностных и пространственных лучей, замирания на коротких волнах обусловлены в основном интерференцией.

Таким образом, 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 (к данной степени ионизации области F) и к данной трассе (к углу возвышения q). Описанная нами 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 D отсутствует, 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.

К недостаткам диапазона декаметровых волн относится наличие замираний и образование зоны молчания. Поверхностный луч не удается принять в этой зоне, потому что он оказывается сильно ослабленным. Пространственный луч не может быть направлен в зону молчания, так как для этого его надо послать под большим углом к земле, но тогда луч пронижет атмосферу и уйдет в космическое пространство. Ширина зоны молчания зависит от времени суток и длины волны: чем короче длина волны, тем шире зона молчания.

Другое явление, играющее существенную роль при организации радиосвязи на декаметровых волнах, — замирание. Объясняется это явление тем, что передающая антенна излучает волны не в единственном направлении, а в пределах более или менее широкого угла. Соответственно можно считать, что на ионосферу падает не один луч, я как бы пучок лучей. Лучи с различными углами возвышения отражаются при различной глубине проникновения в ионизированный слой и достигают поверхности земли в различных точках.

Вследствие многолучевого распространения и колебаний электронной концентрации отражающего слоя радиоволны, излученные передающей антенной, достигают точки приема, двигаясь по разным траекториям. В результате на приемную антенну воздействует несколько колебаний с разными амплитудами и фазами, меняющимися во времени.

В пунктах приема обнаруживаются лучи, которые распространяются путем однократных или многократных отражений от ионосферы. Многолучевое распространение является также причиной возникновения эха, когда из-за разности хода в точку приема приходят лучи с запозданием на 0,2−1,0 мс. Такой вид искажений получил название ближнего эха. Иногда радиосигналы за счет многократных отражений обегают вокруг Земли, вызывая кругосветное эхо.

4. Устройства для формирования радиоволн декаметрового диапазона

В качестве передающих антенн декаметрового диапазона используются слабонаправленные и направленные антенны.

К слабонаправленным антеннам декаметрового диапазона относятся:

· произвольно ориентированные линейные симметричные вибраторы (антенны ВГДШ, вертикальные и наклонные симметричные вибраторы);

· антенны на основе симметричных вибраторов (антенны УГД, ВГДШ 2У, ВГДШП РА, АТЗИ);

· вертикальные несимметричные вибраторы.

В горизонтальной плоскости эти антенны имеют либо слабонаправленную, либо круговую характеристику направленности.

К направленным антеннам декаметрового диапазона относятся:

· синфазные антенны различных типов (СГД РН, СГД РА, СГД РАД, СГДП РА, многоэлементная АТЗИ);

· ромбические антенны (РГ, РГД);

· логопериодические антенны (ЛПН, ЛПВ, ЛПВ2).

Синфазные антенны типа СГД используются в разных режимах работы: с поворотом диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, с синфазным и противофазным, а также линейным фазированием групп вибраторов.

Структура электромагнитного поля вблизи антенн декаметрового диапазонов исключительно сложна зависит от множества факторов: типа антенн, рабочих частот, уровня излучаемой мощности, поляризации излучаемо поля, электрофизических параметров почвы, рельефа местности, растительного покрова, характера и степени застройки, взаимного влияния антенн.

Учесть все эти факторы при расчетном прогнозировании и измерениях уровней напряженности поля не представляется возможным, поэтому при расчетах принимается окружающая объект поверхность гладкой, без затеняющих и переизлучающих предметов.

В расчетном прогнозировании электромагнитное поле определяется для конкретных значений электрофизических параметров почвы — диэлектрической проницаемости и проводимости. В реальных условиях поле вблизи антенн зависит от локальных значений параметров почвы, которые могут изменяться в широких пределах.

Если антенны излучающего объекта не располагаются на почвах с какими-то преимущественными параметрами, например, песок, болотистая почва, мерзлота и т. п., то прогнозирование следует проводить на наихудшие случаи. Для антенн, излучающих в дальнюю зону поле преимущественно горизонтальной поляризации, — это сухая почва (e=3, d=0,001 См/м), а для антенн, излучающих в дальнюю зону поле преимущественно вертикальной поляризации, — это сырая почва (e=20, d=0,1 См/м).

Ниже приведены названия, краткие конструктивные характеристики и основные параметры некоторых реальных антенн декаметрового диапазона.

1. Провод, обтекаемый бегущей волной тока.

Провод расположен в плоскости Х0Z декартовой системы координат параллельно оси X, точка питания лежит на оси Z. Установочный азимут — ось провода, т. е. ось X.

Исходные данные:

— длина провода — 50 м,

— высота подвеса — 10 м,

— коэффициент бегущей волны — 0.8,

— фаза падающей волны — 0 м,

— фаза отраженной волны — 0 м,

— излучаемая мощность — 10 кВт,

— длина волны — 10 м.

Расчетные значения поля в В/м:

— составляющая Ех 1.5366;

— составляющая Еу 7,2662;

— горизонтальная составляющая 7,4269;

— вертикальная составляющая 2,0913;

— составляющая Е_? 7,3423;

— суммарная составляющая 7,7157.

2. Антенна ВГД 6/10.

Вибратор расположен в декартовой системе координат в плоскости Х0Z параллельно оси X. Установочный азимут — направление, перпендикулярное оси вибратора, т. е. ось Y.

Исходные данные:

— длина плеча вибратора — 6 м,

— высота подвеса — 10 м.

— излучаемая мощность — 10 кВт.

— длина волны — 12 м.

Расчетные значения поля в В/м;

— составляющая Ех 1,6084;

— составляющая Еу 0,3031;

— горизонтальная составляющая 1,6367;

— вертикальная составляющая 0,0342;

— составляющая Е_? 1,6366;

— суммарная составляющая 1,6370.

3. Антенна СГД 2/4 РН (16).

Активное полотно антенны лежит в плоскости Х0Z декартовой системы координат симметрично оси Z. Установочный азимут — направление, перпендикулярное полотну антенны, т. е. ось Y.

Исходные данные:

— строительная длина волны — 16 м,

— относительная длина плеча вибратора — 0,41,

— относительное расстояние между секциями — 1,

— относительное расстояние до рефлектора — 0,265,

— относительное расстояние между этажами — 0,5,

— относительная высота подвеса 1-го этажа — 1,

— количество этажей вибраторов -2,

— количество плеч симметричных вибраторов в этаже — 4,

— излучаемая мощность — 100 кВт,

— длина волны — 20 м,

— фаза питания рефлектора — 150°.

Расчетные значения поля в В/м:

— составляющая Ех 22,2791;

— составляющая Еу 3,7651;

— горизонтальная составляющая 22,5950;

— вертикальная составлявшая 1,2206;

— составляющая Е_? 22,5897;

— суммарная составляющая 22,6279.

4. Антенна РГД 65/4.0 1.0 (22).

Антенна расположена в декартовой системе координат вдоль оси X, ось Z проходит через центр антенны. Установочный азимут — продольная ось антенны, т. е. ось X.

Исходные данные:

— строительная длина волны — 22 м,

— относительная высота подвеса — 1,

— относительная длина стороны ромба — 4,

— половина тупого угла ромба — 65°,

— коэффициент бегущей волны — 1,

— излучаемая мощность — 100 кВт,

— длина волны 25 м.

Расчетные значения поля в В/м:

— составляющая Ех 6,7860;

— составляющая Еу 10,2015;

— горизонтальная составляющая 12,2524;

— вертикальная составившая 12,3260;

- составляющая Е_? 10,6611;

— суммарная составляющая 17,3796.

Заключение

радиоволна диапазон декаметровый Несмотря на перечисленные выше недостатки декаметрового диапазона радиоволн и на интенсивное развитие связи в других диапазонах, в частности с использованием искусственных спутников Земли, значение средств связи, работающих в декаметровом диапазоне остается высоким.

Актуальность развития радиотехнических средств данного диапазона существенно выросла за счет использования в декаметровом диапазоне широкополосных сигналов с фазовой манипуляцией (ШПСФМ), что позволяет в таких системах избавиться от интерференционных замираний.

С учетом изложенного декаметровый радиодиапазон до настоящего времени позволяет эффективно обеспечивать более экономичную, мобильную и удобную связь в труднодоступных районах, а также на дальние и сверхдальние расстояния, так как позволяет обойтись при этом использованием только лишь наземных технических средств связи.

1. Назаров М. В., Прохоров Ю. Н. Методы цифровой обработки и передачи речевых сигналов. — М.: Радио и связь, 1985. — 176 с.

2. Метрологическое обеспечение систем передачи: Учеб. пособие для вузов / Б. П. Хромой, В. Л. Серебрин, А. Л. Сенявский и др.: Под ред. Б. П. Хромого. — М.: «Радио и связь», 1991. — 392 с.

3. Радиорелейные и спутниковые системы передачи: Учебник для вузов / А. С. Немировский, О. С. Данилович, Ю. И. Маримонт и др. Под ред. А. С. Немировского. — М.: Радио и связь, 1986. — 392 с.

4. Многоканальная связь и РРЛ / Баева Н. Н., Бобровская И. К., Брескин В. А., Федорова Е. Л.: Учебник для вузов связи. — М.: Радио и связь, 1984. — 216 с.

5. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов / В. И. Иванов, В. Н. Гордиенко, Г. Н. Попов и др.; Под ред. В. И. Иванова. — М.: Радио и связь, 1995. — 232 с.

6. Теория передачи сигналов: Учебник для вузов / А. Г. Зюко, Д. Д. Кловский, М. В. Назаров, Л. М. Финк. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1986. — 304 с.