Особенности распространения радиоволн различных частот

Поскольку свойства атмосферы зависят от частоты, волны различных диапазонов имеют ряд отличительных особенности распространения. Эти особенности определяют области практического использования волн различных частот.

Сверхдлинные волны слабо поглощаются при прохождении в толще суши или моря и поэтому могут проникать на глубину в несколько десятков метров. Это дает возможность их использования для связи с погруженными подводными лодками, а также для подземной радиосвязи. Существуют специальные системы связи с несущей частотой около 80 Гц.

Длинные волны при распространении земной (поверхностной) волной испытывают незначительное поглощение энергии независимо от вида и состояния земной поверхности. Кроме того, длинные волны хорошо огибают сферическую поверхность Земли, а также другие препятствия значительных размеров. Оба эти фактора обусловливают возможность распространения длинных волн земной волной на расстояние около 3000 км.

Начиная с расстояния 300−400 км, помимо земной волны, присутствует волна, отраженная от ионосферы. С увеличением расстояния амплитуда отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700−1000 км она становится соизмеримой с амплитудой земной волны. Сложение этих двух волн дает интерференционную картину.

На расстоянии свыше 2000;3000 км уже невозможно различить земную и ионосферную волны по отдельности. Распространение происходит в результате многократных отражений от поверхности Земли и нижней границы ионосферы 1. Поскольку расстояние между отражающими поверхностями сравнимо с длиной волны, приближение геометрической оптики не дает нужной точности, и задачу приходится решать с использованием уравнений Максвелла. О том, как решаются такие задачи, вы узнаете на старших курсах.

Средние волны испытывают значительное поглощение в поверхности Земли, дальность распространения земной волны ограничена расстоянием 500−700 км. На большие расстояния радиоволны распространяются ионосферной волной.

В дневные часы на пути распространения волны расположен слой О, сильно поглощающий средние волны. Поэтому днем связь на средних волнах практически возможна только земной волной. В ночное время средние волны распространяются путем отражения от слоя Е ионосферы.

В диапазоне СВ более длинные волны испытывают меньшее поглощение. Ионосферные возмущения не влияют на распространение средних волн, так как свойства слоя Е мало меняются во время магнитных бурь. Это делает связь более надежной и устойчивой.

В ночные часы на некотором расстоянии от передатчика возможен приход одновременно ионосферной и поверхностной волн, причем длина пути первой из них меняется с изменением концентрации электронов в ионосфере. Интерференция этих волн приводит к замираниям сигнала. Они проявляются в нерегулярных изменениях амплитуды принимаемого сигнала.

Короткие волны могут распространяться, как земные, и не зависимо от времени суток, как ионосферные. Короткие волны слабо огибают поверхность Земли. С повышением частоты сильно возрастает поглощение волн в полупроводящей поверхности Земли. Поэтому земные волны коротковолнового диапа- ¹ Подобно волнам в волноводе, о котором пойдет речь в разделе 7.

зона распространяются на расстояния, не превышающие нескольких десятков километров. Это чуть больше расстояния прямой видимости.

Ионосферной волной короткие волны могут распространяться на многие тысячи километров путем отражения от ионосферы и поверхности Земли (см. рис. 6.3). В среднем максимальное расстояние между точками отражения в зависимости от состояния ионосферы меняется от 2000 км до 4000 км.

Рис. 6.3. Траектории распространения коротких волн на большие расстояния:

1 — волны, распространяющиеся за счет одного отражения от ионосферы, 2 — двух отражений от ионосферы, 3 — волна, частота которой больше ?^/0

Концентрация электронов в ионосфере меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются условия распространения радиоволн, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны. Днем работают на волнах 10−25 м, а ночью — на волнах 35−100 м. Рабочая частота для обеспечения связи между двумя точками должна быть выбрана так, чтобы луч отражался от ионосферы и попадал в точку приёма. Задача осложняется тем, что ионосфера неоднородна и траектория луча имеет сложный вид (см. рис. 6.3).

Необходимость изменения длины волны усложняет аппаратуру. В каждом конкретном случае для обеспечения связи рабочая частота должна быть выбрана с учетом множества факторов, что усложняет работу операторов.

Ультракороткие волны, как правило, не отражаются от ионосферы, так как максимальная концентрация электронов в ионосфере не превосходит величины порядка 10¹² м" ³. Связь на УКВ возможна только в пределах прямой видимости.

В зависимости от особенностей трассы и применяемых антенн метровые волны могут обеспечить связь на расстояния от единиц до сотен километров. Однако возможно и нерегулярное сверхдальнее распространение на расстояния свыше 1000 км.

Обычно для волн короче 10 м слой Т⁷ является прозрачным. Однако в годы максимума солнечной активности электронная плотность этого слоя достигает в дневное время таких высоких значений, что часто оказывается возможной радиосвязь и на волнах длиной 6−10 м за счет отражения от ионосферы. В этих условиях в радиусе приблизительно до 2000 км возникает зона молчания, за пределами которой возможен радиоприём на расстояниях до 4000 км. Иногда приём сигналов возможен на расстоянии до 7000 км.

Кроме того, на дальность связи оказывает влияние спорадический слой Е_$, имеющий электронную плотность, достаточную для отражения волн метрового диапазона. Этот слой появляется случайно. Поэтому этот вид сверхдальнего распространения радиоволн не может быть регулярным. Сверхдальнее распространение радиоволн за счет отражения от слоя Е₃, наблюдается чаще всего летом в дневное время в южных широтах.

Высота, на которой образуется слой Е₃, составляет 100- 120 км. Она определяет максимальное расстояние связи, которое равно приблизительно 2500 км. Связь осуществляется в то время, когда спорадический слой находится в средней части пути между передатчиком и приёмником. Слой появляется над небольшой территорией, поэтому обычно одновременно существует связь только с одной станцией. Благодаря движению слоя через некоторое время оказывается возможной связь с другой радиостанцией. Продолжительность связи колеблется от нескольких минут до нескольких часов. Указать точно время появления отражений от слоя Е₃ нс удается. Поэтому попытки использования отражения от слоя Е₅ для регулярной связи на метровых волнах не дали положительного результата.

Распространение сантиметровых и дециметровых на большие расстояния до 200−1000 км также возможно. Это связано с рассеянием на неоднородностях тропосферы. Неоднородности это области с коэффициентом преломления, отличающимся от коэффициента преломления окружающего пространства. Такие образования всегда присутствуют на высотах около 15 км. На рис 6.4. показана схема такой связи.

Рис. 6.4. Схема радиоканала с отражением от неоднородностей тропосферы.

Схема, подобная приведенной на рис 6.4, используется для связи за счет отражения УКВ от следов микрометеоритов, который регулярно попадают в атмосферу Земли и оставляют после себя высоко ионизированные образования на высоте около 50 км. Эти образования существуют всего несколько секунд, но этого достаточно для того, чтобы современные цифровые системы радиосвязи обеспечивали высокоскоростную передачу информации порциями.

Сантиметровые и миллиметровые радиоволны испытывают поглощение молекулами кислорода и парами воды. Зависимость погонного затухания от длины волны показана на рис. 6.5. Кроме того, значительное затухание возникает из-за поглощения энергии другими газами, при увеличении их содержания в воздухе. Это позволяет использовать миллиметровые волны для мониторинга состояния атмосферы.

При наличии осадков наряду с поглощением существенно рассеяние радиоволн. В кристаллических облаках и осадках ослабление существенно меньше, чем в капельножидких.

Рис. 6.5. Погонное затухание сантиметровых и миллиметровых радиоволн в атмосфере Земли

Использование УКВ для подвижной связи ставит новые проблемы перед радиоинженерами. В условиях городской застройки, а особенно внутри зданий, условия распространения радиоволн становятся очень сложными. Для прогнозирования существования связи и обеспечения её надежности требуется решать задачи дифракции на многих телах, а поскольку положение приёмника и передатчика произвольны, то приходится привлекать методы математической статистики.

Инфракрасное и оптическое излучение возбуждается за счет энергии квантовых переходов в атомах и молекулах. Процессы излучения обратимы, поэтому молекулы и атомы способны поглощать энергию на тех же частотах. При выполнении определенных условий нскогерентное излучение частиц становится когерентным. Устройства, создающие когерентное излучение за счет квантовых переходов, получили название квантовых генераторов.

В ИК диапазоне существуют полосы прозрачности:2,0−2,5 мкм, 3,2−4,2 мкм, 4,5−5,2 мкм, 8,0−13,5 мкм. В видимой части спектра на волнах 0,75−0,4 мкм поглощение незначительное. Основное поглощающее действие оказывает водяной пар, поскольку его содержание намного превышает содержание остальных газов. Поэтому прозрачность атмосферы сильно зависит от метеорологических условий. Полосы поглощения с максимумами на длинах волн 0,93; 1,13; 1,40; 1,87; 2,74 мкм принадлежат парам воды; а 2,7 и 4,26 мкм — углекислому газу^[1][2]. На длине волны 0,76 мкм наблюдается поглощение в кислороде. Измерения показывают, что на длинах волн от 15 до 100 мкм атмосфера практически непрозрачна. На рис. 6.6 показана зависимость пропускания атмосферой излучения в диапазоне от 0,75 мкм до 14 мкм.

Рис. 6.6. Кривая пропускания атмосферы в области 0,6−14 мкм.

Оптические и ИК волны могут фокусироваться линзами и зеркалами, менять свое направление при отражении и преломлении, разлагаться в спектр призмами и дифракционными решетками. Эти волны испытывают ослабление при прохождении атмосферы из-за процессов рассеяния, особенно если она насыщена водяными парами и пылью. Подобно радиоволнам, они меняют направление распространения в неоднородной атмосфере. Излучающие и отражающие тела, если они не являются источниками полезной информации, создают фон, мешающий работе оптических и ИК систем и проявляющийся как вредный шум.

Перечисленные выше особенности приводят к значительным отличиям методов анализа распространения этих волн, их регистрации и извлечения информации из сигнала. Об этих методах вы узнаете в специальных курсах.

Таким образом условия распространения электромагнитных волн весьма разнообразны. Для решения каждой конкретной практической задачи выбор рабочей частоты аппаратуры — это комплексная проблема оптимизации по совокупности технико-экономических показателей. Вы — будущие радиоинженеры должны быть готовы к её решению.

Как видите, радиоинженер должен хорошо знать механику, строение вещества, теорию электричества и магнетизма и теорию электромагнитных волн. Для расчета трасс связи вам надо владеть методами решения задач математической физики, элементами теории электромагнитного поля, геометрической оптики и математической статистики.

• [1] 1 С этими полосами поглощения связан так называемый парниковый эффект. При средней температуре около 20° С максимум теплового излучения поверхности Земли находится на длине волны около 10 мкм. Комфортные для нас условия на Земле являются результатом существующего сейчас динамического равновесия процессов поглощения и излучения. Однако так было не всегда. Около
• [2] млрд, лет назад углекислого газа и геотермального тепла было так мало, чтопрактически вся поверхность Земли была покрыта льдом. К нашему счастьюприблизительно 700 млн. лет назад ситуация изменилась — вулканы взломалилед и выбросили в атмосферу значительный объем метана и углекислого газа. Тогда в атмосфере его содержалось около 6%! Чередование ледниковых периодов (с периодом около 20 тыс. лет) — естественное геофизическое явление.