Lektsia_15 (Все лекции в электронном виде по ЭДиРРВ)

Лекция 15 Особенности распространения радиоволн различныхдиапазонов15.1 Классификациядиапазоновчастот.Особенностираспространения электромагнитных волн по диапазонамСхемы построения и конструкции радиотехнических систем во многомопределяются диапазоном рабочих частот. В таблице 15.1 приведенынаиболее широко используемые в настоящее время обозначения диапазоновчастот.Таблица 15.1 – Классификация диапазонов частот (длин волн)Используемые в РФДиапазон частот/длин волнОбозначениеИспользуемые за рубежом и в РФДиапазон частотОбозначениеСВЧ/ДМВ(0,23...1,0) ГГц(1,0….2,0) ГГц(2,0….4,0) ГГц(4,0.…8,0) ГГцPLSCСВЧ/СМВ(8,0.…12) ГГц(12.…18) ГГц(18…26,5) ГГцXKuK(30…300) ГГц / (10…1,0) ммКВЧ/ММВ(26,5…40) ГГц(40…..60) ГГц(50..…75) ГГц(75….100) ГГцKaUVW(300…3000)ГГц / (1,0…0,1) ммГВЧ/ДММВ(3,0…30) кГц/ (100…10) кмОНЧ/СДВ(30...300) кГц / (10…1,0) кмНЧ/ДВ(0,3….3,0) МГц / (1,0…0,1) кмСЧ/СВ(3,0…30) МГц / (100…10) мВЧ/КВ(30…300) МГц / (10…1,0) мОВЧ/УКВ(0,3…..3,0) ГГц / (1,0…0,1) м(3,0.30,0) ГГц / (10…1,0) смСверхдлинные (СДВ), длинные (ДВ), средние (СВ) и короткие (КВ)волны используются в системах связи и радиовещания..

Ультракороткие(УКВ) волны (включая волны сверхвысоких частот – СВЧ) используются нетолько для связи, но и для телеуправления, радиолокации и т.д.Поверхностные, тропосферные и ионосферные радиоволныВ радиолинии, проходящей вблизи земной поверхности, наблюдаетсяинтерференцияи дифракция радиоволн. Электромагнитные волны,распространяющиеся по такой радиолинии, называются земными илиповерхностными волнами.В радиолинии, где связь осуществляется за счет рассеяния нанеоднородностях верхних областей тропосферы, влияние земли можносчитать пренебрежимо малым. Радиоволны, распространяющиеся по такойрадиолинии, называют тропосферными волнами.Связь между корреспондирующими пунктами может осуществляться врезультате однократного или многократного отражения от ионосферы.Радиоволны, распространяющиеся в результате отражения от ионосферы илиза счет рассеяния на ней, называют ионосферными волнами.

Влияниетропосферы и земной поверхности здесь оказывается малым.Тропосфера неоднородна и распространяющиеся в ней волныиспытывают рефракцию (искривление траектории). Обычно показательпреломления в тропосфере уменьшается с увеличением высоты, вследствиечего радиоволны испытывают положительную рефракцию.Нарисунке15.2схематичноизображенораспространениеэлектромагнитной волны при различных видах рефракции.

Различаютнормальную рефракцию (а), критическую рефракцию (б), сверхрефракцию(в), нулевую рефракцию (г) и отрицательную рефракцию (д).За счёт рефракции возникают тропосферные волноводы. При этомстановитсявозможнымдальнеераспространениедециметровыхисантимеровых волн. При некоторых условиях может наблюдаться нулевая (г)и даже отрицательная (д) рефракция.Рисунок 15.2 – Виды рефракцииКроме плавного (в среднем) изменения показателя преломления сизменениемвысотывтропосферетакженаблюдаютсяслучайныенеоднородности и достаточно стабильные слоистые неоднородности.Последние создают возможность дальнего распространения метровых идециметровых волн за счёт дифракции.Сверхдлинные (СДВ, >10 км) и длинные (километровые) (ДВ,=1…10 км) волны распространяются в виде пространственной волны,вызываемой дифракцией, и в виде поверхностной волны, движущейся вволноводе, образованном поверхностью Земли и слоем D.

На расстоянияхсвыше 2000 - 3000 км. преобладает поле поверхностной волны. При большихмощностях радиопередатчиков и при антеннах больших размеров на ДВвозможна связь на расстояния 10 000 км и больше. Условия распространенияСДВ и ДВ практически не зависят от состояния ионосферы, поэтомурадиосвязь на этих волнах устойчивая СДВ могут распространяться безсравнительно большого затухания в верхних слоях земной коры и в воде, ииспользуются для радиотелеграфной связи с подводными и подземнымиобъектами.Средние волны (гектометровые) (СВ, =100…1000 м) значительносильнее поглощаются в почве, чем ДВ и СДВ, и хуже огибают сферическуюповерхностьземли.ДальностьраспространенияповерхностныхСВограничена расстоянием 500-700 км и уменьшается с укорочением длиныволны.

На большие расстояния СВ могут распространяться только в ночныечасы, когда исчезает слой D (в котором они испытывают значительноезатухание), пространственной волной. Связь на СВ устойчива только приотсутствии интерференции между земной и пространственной волнами.Границы зоны интерференции обычно определяют расстояниями, на которыхнапряжённости полей пространственной и поверхностной волн отличаютсяне менее, чем в три раза. В зоне интерференции наблюдаются периодическиезатухания принимаемого сигнала (фединг).Короткиеволны(декаметровые)(КВ,=10…100м)прираспространении вдоль поверхности земли быстро затухают.

Связь набольшие расстояния в этом диапазоне возможна лишь на пространственнойволне. Не претерпевая большого поглощения при распространении в нижнихслоях ионосферы D, E и F1, волны этого диапазона многократно отражаютсяслоем F2 и поверхностью земли. Волны длиной 10-50 м называются"дневными", лучше проходят днём, чем ночью, за счёт отражения от слоёв F1и F2. Волны длиной 50-100 м, называемые "ночными", распространяютсялучше ночью, т.к. в это время суток уменьшается плотность ионизации вслоях D, и Е и, следовательно, уменьшаются потери в этих слоях.Ультракороткие волны (метровые) (УКВ, =1…10 м) проходят черезионизированные слои атмосферы практически без изменений' и затуханияДальняя связь на УКВ возможна только за счёт рассеяния на областях сильноионизированной плазмы (метеоритные следы в верхних слоях ионосферы,искусственные плазменные облака).Волны сверхвысокочастотного диапазона (дециметровые) (СВЧ,<1 м) испытывают затухания в тропосфере, возрастающее с укорочениемдлины волны.

Относительно дальняя связь возможна при выборе волны,соответствующей области прозрачности тропосферы, и за счёт рассеяния наеё неоднородностяхС учетом особенностей распространения волн различных диапазоноввыбираются типы антенн, поляризация излучения, ширина и направлениеглавного лепестка диаграммы направленности, рабочую частоту.15.2 Основные принципы радиосвязиЛюбая система передачи радиосигналов состоит из трех основныхчастей: передающего устройства, приемного устройства и пространства, вкотором распространяются радиоволны.Рисунок 15.3 – Принцип радиосвязиПри исследовании распространения радиоволн возникают следующиеосновные задачи:1 расчет энергетических параметров радиолинии – выбор мощностипередающего устройства или определение мощности сигнала на входеприемного устройства;2 определение оптимальной рабочей длины волны при заданныхусловиях распространения;3 определение истинного направления прихода сигнала;4 изучение возможных искажений передаваемого сигнала и принятиемер по их устранению.15.3 Формула идеальной радиосвязи.

Множитель ослабленияМодельидеальнойрадиолинии,описывающейсвязьмеждумощностью, излучаемой передатчиком и мощностью, поступающей на входприемника, приведена на рисунке 15.4. Пусть А и В – точки размещенияпередатчика и приемника, соответственно, а r – расстояние между ними.Рисунок 15.4 – Модель идеальной радиолинииПередатчик излучает гармонические колебания с заданной длинойволны .

Известна также эффективная (действующая) мощность Рпрд,развиваемая передатчиком на зажимах своей антенны. Считается, что средойраспространения служит вакуум (или воздух) с параметрами 0, 0, так чтоомические потери на трассе распространения радиоволн отсутствуют.Ставится задача определить мощность РПР, поступающую в приемник.Первым шагом на пути решения этой базовой задачи будет следующиймысленныйэксперимент.Предположим,чтопередающаяантеннапредставляет собой гипотетический изотропный излучатель, создающийоднородные сферические волны с одинаковым значением амплитуды впределах каждого волнового фронта. Модуль вектора Пойнтинга на удаленииr от передатчика при этом составит(15.1)Естественно считать, что передающая антенна ориентирована впространстве таким образом, что максимум ее излучения наблюдается внаправлении на точку размещения приемной антенны. Тогда фактическоезначение плотности потока мощности от передатчика вблизи антенныприемника составит(15.2)гдеDпрд – коэффициент направленного действия передающей антенны.Мощность, поступающую в приемник, проще всего вычислить,предположив, что приемная антенна принадлежит к классу апертурныхантенн, т.е.

антенн, имеющих излучающую поверхность, например,зеркальных, линзовых, рупорных и т.д. Пусть Апр – площадь поверхностиприемной антенны, называемая также площадью ее раскрыва. Строгийанализ показывает, что аккумуляция всей мощности, проходящей черезраскрыв, принципиально невозможна, и так называемая эффективнаяплощадь раскрыва Апр. эф всегда меньше геометрической Апр.

КНД приемнойантенны Dпp связан с ее эффективной площадью соотношением(15.3)СовершенноаналогичновычисляютпараметрDпрд,посколькуантенные устройства являются обратимыми системами и с одинаковойэффективностью работают как на прием, так и на передачу.Мощность, поступающая в приемник(15.4)Воспользовавшись соотношениями (15.2) и (15.3), выражение (15.4)запишется в виде(15.5)что представляет собой формулу идеальной радиосвязи. Эта формуладостаточно хорошо описывает энергетические соотношения в радиоканалепри отсутствии дополнительных потерь за счет среды распространения.Оценивая реальное качество работы радиоканала, следует иметь в виду,что на входе приемника неизбежно присутствует шум, эффективнаямощность которого пропорциональна шумовой температуре антенны Тш иполосе пропускания приемника f.Числовое значение параметра Тш зависит как от конструкции входныхцепей приемника, так и от уровня шумового сигнала, поступающего вантенну.

В СВЧ-диапазоне основную роль играют шумы от радиозвезд,радиогалактик и других внеземных источников. Современные приемникисантиметрового диапазона имеют шумовую температуру от несколькихдесятков до нескольких сотен Кельвин. В диапазонах гектометровых идекаметровыхволносновнуюрольиграютшумыпромышленногопроисхождения, а также импульсные помехи из-за грозовых разрядов ватмосфере. Соответствующая шумовая температура в неблагоприятныхусловиях может достигать уровня нескольких миллионов кельвин и дажеболее.15.4 Экологические проблемыВажен вопрос, который хотя и не связан непосредственно сраспространением радиоволн, но приобрел в наши дни особое значение.

Делов том, что технологическое развитие общества сопровождается непрерывнымвозрастанием интенсивностиэлектромагнитныхполейискусственногопроисхождения, которые окружают человека на производстве и в быту. Какследствие, актуальной становится защита здоровья человека от вредноговлияниямощныхполей,длительновоздействующихнаорганизм.Упомянутая проблема относится к компетенции радиационной биологии,которая среди прочего занимается комплексным изучением влиянияэлектромагнитного поля на живое вещество.

Установлено, что наиболееопасными для человека оказываются ионизирующие излучения, энергияквантов которых достаточна для отрыва электронов от атома. Такимисвойствами обладают ультрафиолетовая радиация и все другие болеекоротковолновыеизлучения,напримерэлектромагнитныеволнырентгеновского диапазона.Биологический эффект поглощенного ионизирующего излучениявыражают в особых единицах – Грэях (Гр). Одному Грэю соответствуетпоглощение энергии в 1 Дж на 1 кг массы вещества.