Особенности распространения коротких радиоволн

Поясним структуру этой формулы. Первый множитель соответствует полю в свободном пространстве. Здесь Р₁ — мощность, подводимая к передающей антенне; G₁(?)—коэффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя с учетом влияния Земли, т. е.

G₁(?) = G₁maxF²(?),.

короткий волна радиолиния поляризационный где F (?) — нормированная ДН передающей антенны в вертикальной плоскости с учетом влияния Земли;? — угол возвышения траектории волны; r_в — путь, проходимый волной от точки передачи до точки приема. Второй множитель (0,5) соответствует, уменьшению поля (или мощности) на 6дБ. Из них 3 дБ А. Н. Казанцев относит за счет того, что приемная антенна имеет линейную поляризацию, а волна в процессе отражения от ионосферы приобретает эллиптическую (а иногда и круговую) поляризацию. Другие 3 дБ обусловлены тем, что волна в ионосфере расщепляется на обыкновенную и необыкновенную; необыкновенная составляющая сильно поглощается, а для приема оказывается полезной только половина излученной мощности. Третий множитель (1+R)/2 учитывает влияние отраженной от Земли волны в месте расположения приемной антенны. Обычно выбирают среднее значение R порядка 0,8. Четвертый множитель R_n-1 учитывает дополнительные потери при отражении от поверхности Земли в промежуточных точках в случае многоскачкового распространения. Здесь n — число отражений от ионосферы. На односкачковых линиях (с одним отражением от ионосферы) n = 1 и R^n-1 = 1. Наконец, пятый множитель ехр (-Г_и) учитывает поглощение в ионосфере. Полный интегральный коэффициент поглощения Г_и определяется как сумма поглощения в тех слоях ионосферы, которые волна проходит (неотклоняющее поглощение), и поглощения в отражающем слое ионосферы (отклоняющее поглощение). В случае, когда в ионосфере существуют все регулярные слои и отражение происходит от слоя F2. полный коэффициент поглощения Г_и = А_?/(f_p+F_L)² + B_F2f_p²

Первое слагаемое определяет неотклоняющее поглощение. Здесь A_? — коэффициент, зависящий от критической частоты слоя Е ионосферы (как мера электронной плотности во всех слоях) и длины трассы (рис. 10.6); рабочая частота f_p и частота продольного гиромагнитного резонанса f_L выражены в мегагерцах (f_L = 0,8 МГц).

Чем больше степень ионизации ионосферы (f_кp^E), тем больше ее удельная проводимость и больше поглощение. Чем больше длина трассы, тем больший путь проходит волна в неотклоняющих слоях и тем больше поглощение. Из формулы следует, что с уменьшением f_p возрастают потери, так как растет проводимость ионосферы. Второе слагаемое в формуле оценивает отклоняющее поглощение при отражении волны от слоя F2. Коэффициент В_F2 зависит от протяженности трассы и действующей высоты отражения волны (рис. 10.7).

Из рисунка видно, что при увеличении r значения В_F2 уменьшаются, т. е. уменьшается поглощение. Это можно объяснить тем, что на более длинных трассах используются волны с более пологими траекториями, которые меньше проникают вглубь отражающего слоя и меньше поглощаются.

Влияние условий распространения на работу радиовещания. Декаметровые волны имеют ограниченное применение для вещания из-за большой загруженности этого диапазона, высокого уровня помех станций и относительно низкого качества приема. Наиболее типично применение KB диапазона .для вещания на труднодоступные удаленные районы, когда системы, работающие из более коротких (УКВ) или более длинных (СВ, ДВ) волнах, оказываются непригодными из-за ограниченного радиуса действия. Вещание на декаметровых волнах предусматривает обслуживание заданной территории с помощью ионосферных волн. Волновое расписание для вещания составляется с учетом условий распространения в течение целого сезона. В результате во многих случаях работа ведется на частотах далеких от ОРЧ, что снижает уровень сигнала и качество приема. Зона обслуживания вещательного передатчика имеет границы, которые при учете помех только природного происхождения определяются минимально-допустимой напряженностью поля f_min = 50 дБ.

Для диапазона KB характерно наличие мертвой зоны, в пределах которой регулярный прием невозможен, так как радиус действия земной волны обычно меньше, чем наименьшее расстояние, перекрываемое по Земле ионосферной волной. Внутренний радиус этой зоны устанавливают путем расчета напряженности поля земной волны. Рассчитывая напряженность поля на разных расстояниях от передающей антенны, определяют то расстояние, при котором уровень поля равен минимально допустимому значению. Внешний радиус устанавливается по критическому углу падения волны на ионосферу. Если в первом приближении отражающий слой ионосферы считать достаточно тонким, то внешний радиус мертвой зоны можно оценить по приближенной формуле.

.

Из формулы видно, что на частоте f_p = f_кр внешний радиус мертвой зоны равен нулю. С возрастанием частоты радиус г_мз увеличивается, достигая максимального значения на частоте f_р равной МПЧ.

Волновое расписание. Количественная оценка крайних частот рабочего диапазона (МПЧ и НПЧ) обычно производится на основе проектных материалов. Верхняя граница рабочего диапазона определяется с помощью часовых медианных значений МПЧ. Однако, работая на частоте, равной месячной медианной МПЧ данного часа суток, можно в этот час получить отражение волны от ионосферы примерно лишь в 50% дней данного месяца из-за флуктуации критических частот и высот слоев от дня ко дню. Частота, обеспечивающая связь по условиям отражения в течение 90% времени за месяц, называется оптимальной рабочей частотой (ОРЧ) и является верхним пределом рабочего диапазона частот при составлении волнового расписания. Статистическая обработка наблюдений показала, что при спокойном состоянии ионосферы ОРЧ должна быть ниже месячной медианной МПЧ слоя F2 на 10…20%. Однако флуктуации слоя F2 не всегда одинаковы: они изменяются от дня к ночи и зависят от географического положения точки наблюдения. Поэтому более точно расчет ОРЧ ведут по данным о флуктуациях МПЧ и специальным номограммам, приводимым в месячном прогнозе распространения радиоволн. Такие уточнения наиболее важны для радиолиний, проходящих и полярных областях, где флуктуации особенно велики и ОРЧ может быть ниже МПЧ на 40%.

Для каждой радиолинии согласно международным правилам выделяется ряд фиксированных частот. Для протяженных магистральных линий число таких частот достигает не более четырех-пяти, а для менее ответственных линий — двух… трех.

На каждый месяц составляется волновое расписание, которое устанавливает, на каких из выделенных частот следует работать в различные часы суток. Для этого по данным прогноза рассчитываются и строятся зависимости ОРЧ и НПЧ от времени суток — рис. 10.8.

В каждый данный период времени работа может вестись на любой частоте не выше ОРЧ и не ниже НПЧ. Из закрепленного набора частот для равных периодов суток выбираются частоты ближе к ОРЧ, так как при этом выше устойчивость работы. Наиболее трудно составить волновое расписание на протяженных линиях, ориентированных примерно вдоль параллелей в часы частичной освещенности трассы, так как состояние ионосферы на западном и восточном участках трассы различно. На неосвещенном участке предутренний минимум электронной концентрации слоя F2 обусловливает низкие значения ОРЧ для всей линии. В то же время на освещенной части происходит большое поглощение, поэтому НПЧ оказываются высокими. На наиболее трудных линиях НПЧ бывают выше ОРЧ. В таких случаях прямая связь оказывается не возможной, и используют ретрансляцию через пункт расположенный примерно в середине трассы.

Углы возвышения и требования к диаграммам направленности антенн. В диапазоне коротких волн при работе на частотах, близких к оптимальным, в точке приема поле обычно формируется несколькими волнами, претерпевшими различное число отражений от ионосферы. В разные сезоны и периоды суток соотношение между уровнями напряженности поля отдельных волн меняется. Поэтому для поддержания устойчивой работы антенны на передаче и приеме должны обеспечить интенсивное излучение и прием в направлении спектра углов, соответствующих волнам с наибольшими амплитудами. Выбор наклона и ширины диаграмм направленности антенн в вертикальной плоскости рекомендуется производить с учетом, как средних значений углов наклона траектории ?_ср так и возможных флуктуации относительно ?_ср. Средние значения углов ?_ср рассчитываются исходя из регулярных суточных и сезонных изменений действующих высот отражения. Верхняя граница углов ?_ср определяется максимально возможным наблюдаемым числом отражений от слоя F2 на данной трассе в периоды, когда высота этого слоя максимальна. Нижняя граница ?_ср для всей линий обычно принимается около 2…3^п. Траектории с более низкими углами малоэффективны из-за сильного ослабления в ионосфере и влияния Земли. Для трасс протяженностью более 2000…3000 км нижняя и верхняя границы углов ?_ср рассчитанных с учетом реально наблюдаемых траекторий, приведены в табл.10.2.

Флуктуации углов наклона траекторий относительно средних значений во многих случаях весьма существенны. Они обусловлены различными причинами, одна из которых состоит в непрерывном случайном изменении высоты расположения отражающего слоя, другая — в том, что отражающая область ионосферы, имеющая горизонтальные размеры в несколько сотен километров часто не является сферически-слоистой.

Таблица 10.2 Нижняя и верхняя границы углов возвышения.

Длина трассы, км.	?пmin	?пmax	Виды траекторий.
2000…3000.	2…3.		1 °F,2 °F.
3000…4000.	2…3.	15…18.	1 °F,2 °F.
5000…7000.	2…3.	10…12.	2 °F,3 °F.
7000…10 000.	2…3.	10…12.	3 °F,4 °F,5 °F.

Поэтому в формировании принимаемого сигнала участвует попеременно или одновременно несколько областей ионосферы. Такой характер распределения даже при приеме одного луча приводит к распределению энергии волны в широком секторе углов, т. е. к флуктуациям углов наклона траекторий. При многолучевом приеме флуктуации углов наклона присущи каждой из траекторий и секторы углов, в которых, распределена энергия волны, могут частично или полностью перекрывать друг друга.

Для расчета и проектирования коротковолновых линий связи и вешания необходимо располагать количественными данными о возможных флуктуациях углов? на различных трассах в различные периоды времени. Такие данные, полученные в результате измерений на среднеширотных радиолиниях, приведены в табл.10.3. Они характерны для модели 1 распространения, когда в точке приема наблюдается однолучевой прием волны, отраженной от слоя F2 ионосферы.

Таблица 10.3 Флуктуации углов наклона траекторий в градусах за период.

Длина трассы, км.	Лето.	Зима.
День.	Ночь.	День.	Ночь.
1000…3000.	±2.	±6.	±4.	0…24.
3000…5000.	±3.	±8.	±6.	0…30.

Из данных табл.10.3 видно, что сравнительно малые флуктуации углов наклона траекторий относительно средних значений имеют место только в летнее дневное время. Для ночных периодов характерны флуктуации на значительную величину, особенно в зимнее время, когда энергия волны распределяется в очень широком секторе углов, как на коротких, гак и на длинных трассах. Приведенные величины могут использоваться для оценки флуктуации? при всех возможных уровнях солнечной активности.

В горизонтальной плоскости на ширину диаграмм направленности антенн оказывает влияние так называемая девиация лучей, т. е. отклонение направления распространения волны от дуги большого круга. Основными причинами девиации лучей являются наклоны отражающих слоев ионосферы в направлении, перпендикулярном трассе, а также боковое рассеяние на ионосферных неоднородностях. Можно ориентировочно полагать, что в горизонтальной плоскости антенны должны обеспечивать интенсивное излучение и прием в диапазоне углов ± (3…5⁰) относительно дуги большого круга, соединяющей пункты передачи и приема. В высоких широтах из-за большей неоднородности ионосферы углы девиации лучей более значительны.

Устойчивость работы. Магистральные линии связи в диапазоне коротких волн используются в основном для передачи дискретной информации, поэтому устойчивость определяется как вероятность обеспечения допустимого числа ошибочно принятых посылок в течение определенного времени. Обычно при работе дискретного телефона требуется обеспечить относительное число ошибок не более 10^-2 в течение 70% времени за сутки, магистрального телеграфа — не более 10^-3 в течение 90% времени и при передаче цифровых данных — не более 10^-4 в течение 98% времени за сутки. Устойчивость работы зависит от наблюдаемого отношения сигнал-помеха на входе приемника, которое подвержено регулярным и нерегулярным изменениям за счет непрерывных изменений уровней сигнала и помехи. При снижении скорости передачи информации и увеличении допустимой вероятности ошибок при том же отношении сигнал-помеха устойчивость работы линии связи возрастает.