Чинники, що впливають на дальність і якість радіохвиль
Зміст
Введення
1. Поняття, класифікація радіохвиль
2. Особливості розповсюдження радіохвиль
3. Чинники, що впливають на дальність і якість радіохвиль
Висновок
Література
Введення
В системах передачі інформації за допомогою радіотехнічних і радіоелектронних приладів розрізняють три ланки: передаючий пристрій, середовище, в якому розповсюджуються радіохвилі, і приймальний пристрій.
Зрозуміло, що якщо радіоелектронна система включає в свій склад тракт розповсюдження, то бездоганна і надійна робота системи в цілому значною мірою визначається також умовами розповсюдження радіохвиль на ділянці, що розділяє передаючу і приймальну антени.
В процесі розповсюдження хвилі піддаються ослабленню і спотворенню. Крім того, на приймальну антену впливають різного роду перешкоди як природного, так і штучного походження. Для забезпечення надійної передачі інформації необхідно, щоб поле сигналу, по-перше, в певне число раз перевищувало рівень перешкод (залежно від умов роботи каналу зв'язку і вимог до надійності). По-друге, сигнали не повинні піддаватися надмірним спотворенням, неминуче виникаючим в процесі розповсюдження. Спотворення повинні знаходитися в межах допустимих норм.
Передача інформації може порушитися або при значному зниженні рівня сигналу (який при цьому вже не виділятиметься на фоні перешкод), або при сильному спотворенні форми сигналу (його розтяганні, дробленні і т. д.).
Радіохвилі, що вільно розповсюджуються, знаходять в сучасній техніці обширні і багатоманітні застосування, а саме: в системах зв'язку, в пристроях радіолокацій, телеметрії, системах управління, в радіонавігації і в багатьох інших випадках. Їх основна перевага полягає в тому, що коли зв'язок встановлюється між фіксованими (наземними) пунктами, то немає необхідності споруджувати між ними, сполучну або направляючу систему. Радіохвилі є єдиним і природним засобом здійснення зв'язку з об'єктами, що пересуваються (автомобілями, кораблями, літаками, космічними кораблями).
1. Поняття, класифікація радіохвиль
Радіохвилями умовно називають електромагнітні хвилі в діапазоні від 100000 м до приблизно 0,1 мм, що, застосовуючи відоме співвідношення між довжиною хвилі і частотою відповідає інтервалу частот від 3000 гц до 3•1012 гц.
Що використовуються в техніці зв'язки хвилі прийнято підрозділяти по десятковій ознаці на діапазони: наддовгих хвиль (СДВ) від 105 до 104 м, довгих хвиль (ДВ) від 104 до 103 м, середніх хвиль (СВ) від 103 до 100 м, коротких хвиль (КВ) від 100 до 10 м, метрових хвиль (МВ) від 10 до 1 м, дециметрових хвиль (ДМВ) від 1 до 0,1 м, сантиметрових хвиль (СМВ) від 10 до 1 см, міліметрових хвиль (ММВ) від 1 см до 1 мм і субміліметрових хвиль (СММВ) від 1 до 0,1 мм Хвилі коротше 0,1 мм відносять до діапазону оптичних хвиль.
Діапазони МВ, ДМВ і СМВ часто називають ультракороткими хвилями. Надвисокими частотами називають частоти діапазонів ДМВ і СМВ.
Швидкість розповсюдження радіохвиль у вільному просторі складає 3 • 108 м/с.
Дифракція радіохвиль - явище, що полягає в тому, що радіохвилі здатні огинати перешкоди. Дифракція виявляється тим сильніше, чим більше довжина хвилі в порівнянні з розмірами перешкод. Наприклад, кілометрові і гектометрові хвилі огинають гори, горби, великі міські будівлі і т.д. В той же час хвилі мікрохвильових діапазонів не огинають ці перешкоди, утворюючи безпосередньо за ними зони радіотіні. Завдяки явищу дифракції хвилі огинають нерівності земної поверхні, розповсюджуючись у вигляді поверхневої (земний) хвилі на відстані, що перевищують дальність прямої видимості.
Рефракція радіохвиль - явище заломлення радіохвиль в атмосфері унаслідок зменшення густини повітря з висотою, що приводить до збільшення дальності розповсюдження поверхневої радіохвилі. При середньому (нормальному) стані атмосфери (температура повітря на рівні моря 15°С, зниження температури з висотою-0,65°С на 100 м, зменшення тиску - дальність розповсюдження поверхневої радіохвилі збільшується на 15 ... 20% в порівнянні з дальністю геометричної видимості (випадок нормальної атмосферної рефракції). При деяких особливих станах атмосфери, коли густина повітря зменшується з висотою швидше, ніж в нормальній атмосфері, може утворитися атмосферний хвилевід (суперрефракція), по якому поверхнева хвиля розповсюджується у декілька разів далі, ніж при нормальній рефракції.
Інтерференція радіохвиль - явище взаємного накладення радіохвиль, що приходять в точку прийому по різних шляхах. Якщо амплітуди радіохвиль, що приходять по двох шляхах різної довжини, однакові, то при співпадаючих фазах результуюче поле подвоюється, при протилежних фазах рівно нулю.1
З явищем інтерференції радіохвиль пов'язані завмирання сигналу, а також поява повторних контурів на телевізійному зображенні.
Радіохвилі прийнято також класифікувати за способом розповсюдження у вільному просторі і навкруги земної кулі.
Хвилі, що розповсюджуються у вільному просторі (космосі) від одного космічного об'єкту до іншого, носять назву прямих або вільно що розповсюджуються. До цієї ж категорії можна в деяких випадках віднести хвилі, що розповсюджуються між наземною станцією і космічним об'єктом, а саме в ті випадках, коли впливом щодо тонкого шару атмосфери можна нехтувати.2
Радіозв'язок може здійснюватися за допомогою поверхневих і просторових радіохвиль.
Хвилі, що розповсюджуються уздовж сферичної поверхні Землі і частково огинаючі її унаслідок явища дифракції, отримали назву земних або поверхневих. Здатність хвиль огинати перешкоди, що зустрічаються, і дифрагувати навкруги них, визначається співвідношенням між довжиною хвилі і розмірами перешкод. Чим нижче частота сигналу, тим більше дальність розповсюдження поверхневої хвилі. Чим коротше хвилі, тим слабіше виявляється дифракція. З цієї причини УКВ дуже слабо дифрагує навкруги поверхні земної кулі і дальність їх розповсюдження в першому наближенні визначається відстанню прямої видимості.
Ультракороткі хвилі, що розповсюджуються за рахунок розсіяння на неоднорідностях тропосфери на відстань до 1000 км, отримали назву тропосферних.
Нарешті, хвилі довше 10 м, що розповсюджуються навкруги земної кулі на скільки завгодно великі відстані за рахунок однократного і багатократного віддзеркалення від іоносфери (тобто іонізованої оболонки атмосфери), називаються іоносферними або просторовими.
Шари іоносфери: шар D з найслабішою електронною концентрацією, висота 60 ... 80 км (існує тільки вдень), шар Е з середньою електронною концентрацією, висота 90 ... 150 км, шар F з найвищою електронною концентрацією, висота 190 ... 500 км; влітку розщеплюється на два шари з різною електронною концентрацією: F1> >(висота 190 ... 230 км) і F2 (висота 230 ... 500 км).
2. Особливості розповсюдження радіохвиль
Міріаметровиє і кілометрові хвилі
Діапазони частот від 3 до 30 кГц - дуже низькі частоти (ОНЧ) і від 30 до 300 кГц - низькі частоти (НЧ).
Поверхнева хвиля володіє яскраво вираженою здібністю до дифракції і забезпечує стійкий надійний радіозв'язок на великих відстанях при використовуванні складних і дорогих антенно-щоглових споруд. На відстані до 400 км розповсюдження відбувається тільки за допомогою поверхневої хвилі, до 3000 км - за допомогою поверхневої і просторової хвиль, понад 3000 км - тільки за допомогою просторової хвилі. Використовуються для радіомовлення і радіонавігації. Основне джерело перешкод -атмосферні розряди. Діапазон міріаметрових хвиль використовується, як правило, для радіозв'язку під водою.
Гектометровиє хвилі. Діапазон частот від 300 кГц до 3 Мгц - середні частоти (СЧ). Здібність поверхневої хвилі до дифракції виражена слабіше, ніж на кілометрових хвилях. В денний час гектометрові хвилі розповсюджуються тільки у вигляді поверхневої хвилі на відстань до 300 ... 500 км над суш і до 800 ... 1000 км над морем, а ночью-с виді поверхневих і просторових хвиль на відстань до 4000 км. Використовуються для службового і любительського зв'язку, а також для радіомовлення.
При зв'язку на декаметрових хвилях можливо поява «зони мовчання» у вигляді кільцевої області, яка укладена між радіусом дії поверхневої хвилі і відстанню, на якій з'являється відображена від іоносфери просторова хвиля. Якість телекомунікації на верхньому рівні діапазону частот може погіршуватися також через те, що в точку прийому окрім основного сигналу приходить з великим тимчасовим зсувом (до 0,1 з) другий сигнал, минулий більш довгий шлях по дузі великого круга (кругосвітня луна).
Мікрохвильові діапазони. Включають метрові хвилі (дуже високі частоти, ОВЧ, 30 ... 300 Мгц), дециметрові хвилі (ультрависокі частоти, УВЧ, 300 ... 3000 Мгц), сантиметрові хвилі (надвисокі частоти, СВЧ, 3 ... 30 ГГц), міліметрові хвилі (украй високі частоти, КВЧ, 30 ... 300 ГГц), дециміліметрові хвилі (300 ... 3000 ГГц). Радіохвилі мікрохвильових діапазонів розповсюджуються тільки за допомогою поверхневої хвилі, оскільки в цих діапазонах просторові хвилі від іоносфери не відображаються. Оскільки дифракція поверхневої хвилі в цих діапазонах майже не виявляється, розповсюдження радіохвиль відбувається тільки в межах прямої видимості.
На метрових хвилях завдяки незначній дифракції дальність прийому може бути дещо більше, ніж дальність прямої видимості, проте в зоні дифракції (зона півтіні і тіні) напруженість поля убуває дуже швидко, прийом телепередач стає нестабільним і нестійким. На метрових хвилях спостерігаються окремі випадки дальнього і наддалекого прийому телепередач унаслідок розсіяння радіохвиль на неоднорідностях атмосфери і віддзеркалення радіохвиль від областей іоносфери з підвищеною іонізацією.
На дециметрових хвилях дифракція практично відсутня, і дальність прийому не перевищує дальності прямої видимості. Випадки дальнього і наддалекого прийому телепередач на дециметрових хвилях пов'язують з утворенням атмосферних хвилеводів над тропічними морями при аномальному стані атмосфери (суперрефракція).
Дальність розповсюдження метрових і дециметрових хвиль практично не залежить від метеоумов.
Сантиметрові і міліметрові хвилі також розповсюджуються в межах прямої видимості, проте дальність їх розповсюдження істотно залежить від метеоумов. Поглинання сантиметрових хвиль у вологому повітрі складає 0,01 дБ/км, на частоті 24 ГГц спостерігається резонансне поглинання у водяній парі (0,2 дБ/км), на частоті 60 ГГц в кисні (13 дБ/км). Поглинання і розсіяння відбувається під час дощу від 0,1 до 10 дБ/км залежно від інтенсивності дощу.
Мікрохвильові діапазони використовуються для професійного і любительського зв'язку, радіолокації, передачі телепередач і УКВ-ЧМ віщання. В цих діапазонах працюють супутникові системи зв'язку і радіорелейні лінії.3
3. Чинники, що впливають на дальність і якість радіохвиль
Упевнений прийом дальніх мовних станцій залежить як від пори року, так і від сонячної активності. Річ у тому, що сонячна активність істотно впливає на стан іоносфери - оболонки Землі, що складається з розрядженого і іонізованого газу. Ця оболонка тягнеться на 1000 і більше кілометрів від поверхні Землі, але для коротких хвиль істотною є та її частина, яка розташована на висоті від 50 до 400 км.
Радіохвилі КВ так само, як і світло, розповсюджуються прямолінійно. Але вони можуть долати багато тисяч кілометрів, огинаючи земну кулю величезними скачками від декількох сотень до 3000 км і більш, відображаючись поперемінно від шару іонізованого газу і від поверхні Землі або від води.
Ще в 20-х роках нашого сторіччя вважалося, що радіохвилі коротше 200 м взагалі не придатні для телекомунікації через сильне поглинання. І, ось коли були проведені перші експерименти по дальньому прийому коротких хвиль через Атлантику між Європою і Америкою, англійський фізик Олівер Хевісайд і американський інженер-електрик Артур Кеннелі незалежно один від одного припустили, що десь навкруги Землі існує іонізований шар атмосфери, здатний відображати радіохвилі. Цей шар отримав назву Хевісайда-Кеннелі, або іоносфера.
За сучасними уявленнями іоносфера складається з негативно заряджений вільних електронів і позитивно заряджений іонів, в основному молекулярного кисню O+ і окислу азоту NO+ . Іони і електрони утворюються в результаті іонізації, яка полягає у відриві електрона від нейтральної молекули газу. А для того, щоб відірвати електрон, необхідно затрачувати деяку енергію - енергію іонізації, основним джерелом якої для іоносфери є Сонце, точніше його ультрафіолетове, рентгенівське і корпускулярне випромінювання.
Поки газова оболонка Землі освітлена Сонцем, в ній безперервно утворюються всі нові і нові електрони, але одночасно частина електронів, стикаючись з іонами, знов утворює нейтральні частинки - атоми і молекули. Після заходу Сонця утворення нових електронів майже припиняється, і число вільних електронів починає убувати. Взагалі, ніж більше вільних електронів в іоносфері, тим краще від неї відображаються хвилі високої частоти. А якщо електронів мало, то дальнє проходження спостерігається тільки на низькочастотних КВ діапазонах. От чому вночі, як правило, можливий прийом дальніх станцій лише в діапазонах 75, 49, 41 і 31 м.
Електрони розподілені в іоносфері нерівномірно. На висоті від 50 до 400 км є декілька шарів або областей підвищеної концентрації електронів. Ці області плавно переходять одна в іншу і по-різному впливають на розповсюдження радіохвиль КВ діапазону.
Сама верхня область, до речі, найщільніша, отримала назву області F. Вона розташована на висоті більше 150 км над поверхнею Землі і грає основну відбивну роль при дальньому розповсюдженні радіохвиль високочастотних КВ діапазонів. Іноді в літні місяці область F розпадається на два шари - F1 і F2. Шар F1 може займати висоти від 200 до 250 км, а шар F2 як би “плаває” в інтервалі висот 300 ... 400 км. Звичайно шар F2 іонізований значно сильніше за шар F1. Вночі шар F1 зникає, а шар F2 залишається, поволі втрачаючи до 60 % своєї іонізації.
Нижче за область F на висотах від 90 до 150 км розташована область E, іонізація якої відбувається під впливом м'якого рентгенівського випромінювання Сонця. Звичайно ступінь іонізації області E нижче, ніж області F. Проте вдень прийом станцій низькочастотних КВ діапазонів 31 і 25 м відбувається при віддзеркаленні сигналів від області E. Звичайно це станції, розташовані на відстані 1000 ... 1500 км. Вночі в області E іонізація різко зменшується, але і в цей час вона продовжує грати помітну роль в прийомі сигналів станцій діапазонів 41, 49 і 75 м.
Великий інтерес для прийому сигналів високочастотних КВ діапазонів 16, 13 і 11 м представляють ті, що утворюються в області E прошарку (точніше хмари) сильно підвищеної іонізації. Площа цих хмар може змінюватися від одиниць до сотень квадратних кілометрів. Цей шар підвищеної іонізації отримав назву - спорадичний шар E і позначається Es. Хмари Es можуть переміщатися в іоносфері під впливом вітру і досягати швидкості до 250 км/година. Влітку в середніх широтах в денний час походження радіохвиль за рахунок хмар Es за місяць буває 15 ... 20 днів. В районі екватора він присутній майже завжди, а у високих широтах звичайно з'являється вночі. В роки низької сонячної активності, коли немає проходження на високочастотний КВ діапазонах, іноді, як подарунок, на діапазонах 16, 13 і 11 м з доброю гучністю раптом з'являються дальні станції, сигнали яких багато разів відобразилися від Es.
Сама нижня область іоносфери - область D розташована на висотах між 50 і 90 км. Тут порівняно мало вільних електронів. Від області D добре відображаються довгі і середні хвилі, а ось сигнали станцій низькочастотний КВ діапазонів сильно поглинаються. Це вдень, а після заходу Сонця іонізація дуже швидко зникає і з'являється можливість приймати дальні станції в діапазонах 41, 49 і 75 м, сигнали яких відображаються від шарів F2 і E.
З викладеного вище стала зрозуміла роль окремих шарів іоносфери а розповсюдженні сигналів КВ радіостанцій. Необхідно додати, що якщо сигнал відобразився від шару E ( або Es ), то стрибок не перевищує 2000 км, а від шару F ( точніше F2 ) - 4000 км. Стрибків може бути дещо, і тоді до вашого радіоприймача приходять сигнали від мовних станцій, віддалених на тисячі кілометрів. На денній стороні Землі такий сигнал досить сильно ослабляється при багатократному проходженні через область D. За один стрибок це трапляється двічі. Чим нижче частота, тим це ослаблення помітніше. Але це єдиний шлях хвилі в іоносфері по дорозі від передавача до вашого приймача. Іноді створюються такі умови, при яких хвиля, відобразившися від шару F2, не повертається назад до Землі, а розповсюджується, відображаючись поперемінно від шарів E(Es) і F2. Хвиля як би потрапила в іоносферний хвилевід і проходить багато тисяч кілометрів при відносно малому ослаблення.
А ось відповідні умови для виходу хвилі з цього хвилеводу звичайно утворюються в місці прийому при сході або заході Сонця. Звичайно це дає можливість приймати станції, розташовані на протилежний точці земної кулі. Це явище найбільш явно виражено на низькочастотних КВ діапазонах. Тривалість такого прийому в діапазоні 75 м може бути близько години. При переході на більш короткохвильові діапазони цей час скорочується.
На умови розповсюдження КВ сильний вплив надає одинадцятилітній період сонячної активності, фаза якого визначає загальну інтенсивність сонячного ультрафіолетового і рентгенівського випромінювань, а отже і сумарну іонізацію атмосфери Землі: в роки максимуму ця іонізація зростає, в роки мінімуму — убуває. Зрозуміло тому, що для практики розповсюдження КВ дуже важливо мати свій в розпорядженні відомості про стан сонячної активності.
Протягом довгого часу після початку застосування в техніці зв'язку і в радіолокації ультракоротких хвиль учені і інженери вважали, що хвилі цього діапазону не здатні розповсюджуватися на великі відстані. І лише до 1950 р. на підставі численних експериментальних фактів був зроблений висновок про існування нового механізму, сприяючого розповсюдженню УКВ на відстані, значно перевершуючі дальність дифракційного горизонту.
Спеціально поставлені дослідження показали, що причиною дальнього розповсюдження УКВ є розсіяння хвиль на глобулярних неоднорідностях тропосфери і віддзеркалення від шаруватих неоднорідностей.
Як приймальні антени в тропосферних лініях зв'язку застосовуються також направлені антени. Тому в приймальну антену потрапляє тільки те проміння, яке розсівається неоднорідностями, розташованими в межах загального об'єму, утвореного перетином просторових діаграм спрямованості передаючої і приймальної антен.
Великою перевагою тропосферних ліній зв'язку в порівнянні з лініями іоносферного розсіяння і метеорними трасами є можливість передачі щодо великих потоків інформації. Тоді як по лініях іоносферного розсіяння і по метеорних |трассам можна передавати одне-два телеграфних повідомлення, тропосферні канали здатні пропускати одну телепередачу або 120 телефонних розмов. Проте якість передачі по тропосферних каналах помітно поступається передачі по радіорелейних лініях зв'язку звичайного типу.
Для отримання такої відносної широкосмугової доводиться вживати енергійних заходів для боротьби із завмираннями, супроводжуючими тропосферне розповсюдження хвиль. Досягається це застосуванням на кожному кінцевому пункті ліній зв'язку двох передавачів по 10—15 квт, працюючих на різних частотах, і двох великих антен (звичайно параболічних, розміром 20X20 м), чотирьох окремих приймальних пристроїв для здійснення розноситься по частоті і в просторі.
Висновок
Для радіозв'язку використовуються наступні 12 діапазонів радіохвиль, межі яких по частоті визначаються співвідношенням 0,3·10N-3·10N (тут N — номер діапазону): четвертий — міріаметрові хвилі (100—10 км), п'ятий — кілометрові хвилі 10—1 км), шостий — гектометрові хвилі (1000—100 м), седьмой— декаметрові хвилі (100—10 м), восьмої - метрові хвилі (10—1 м), дев'ятий — дециметрові хвилі (1,0—0,1 м), десятий — сантиметрові хвилі (10—1 см), одинадцятий — міліметрові хвилі (10 — 1 мм), дванадцятий — децимиліметрові хвилі (1,0—0,1 мм).
В системах оптичного і лазерного зв'язку застосовуються частоти чотирнадцятого і п'ятнадцятого діапазонів (до 1015 Гц).
Діапазон міріаметрових хвиль (3— 30 кГц) використовується, як правило, для радіозв'язку під водою, діапазони кілометрових (30—300 кГц) і гектометрових (300— 3000 кГц) хвиль застосовуються в звуковому радіомовленні і міжнародній рятувальній службі. На декаметрових хвилях (короткохвильовий діапазон 3—30 Мгц) працюють системи дальнього звукового радіомовлення, дальнього радіотелефонного і телеграфного радіозв'язку.
Сучасні системи радіозв'язку, призначені для передачі багатоканальних телефонних повідомлень, телебачення, передачі даних з швидкостями до десятків мегабіт в секунду, працюють в метровому (30—300 Мгц), дециметровому (300—3000 Мгц) і сантиметровому (3—30 ГГц) діапазонах хвиль.
Загальний висновок полягає в тому, що надійність роботи радіоелектронної системи, складовою частиною якої є тракт розповсюдження радіохвиль, повною мірою визначається також надійністю проходження хвиль по тракту. Саме в цьому і полягає роль процесів розповсюдження в сучасній радіоелектроніці.
1 Фок В. А. Дифракция радиоволн вокруг земной поверхности. - М.: Изд-во АН СССР, 1979.
2 Долуханов М. П. Распространение радиоволн. - М.: Советское «Радио», 1972.
3 Справочная книга радиолюбителя. /Под ред. Н. И. Чистякова. – М. : Радио и связь, 1990.