Зміст
Зрозуміло, що якщо радіоелектронна система включає до свого складу тракт розповсюдження, то бездоганна і надійна робота системи в цілому значною мірою визначається також умовами розповсюдження радіохвиль на ділянці, що розділяє передавальну і приймальну антени.
У процесі поширення хвилі піддаються ослаблення і спотворення. 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 разів перевищувало рівень перешкод (залежно від умов роботи каналу зв'язку і вимог до надійності). По-друге, сигнали не повинні піддаватися надмірним спотворенням, неминуче виникають у процесі розповсюдження. Спотворення повинні знаходитися в межах допустимих норм.
Передача інформації може порушитися або при значному зниженні рівня сигналу (який при цьому вже не буде виділятися на тлі перешкод), або при сильному спотворенні форми сигналу (його розтяганні, дробленні і т. д.).
Вільно поширюються радіохвилі знаходять в сучасній техніці обширні і різноманітні застосування, а саме: в системах зв'язку, в 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).
Використовуються в техніці зв'язку хвилі прийнято підрозділяти по десятковій ознакою на діапазони: наддовгих хвиль (СДВ) від 10 5 до 10 4 м, довгих хвиль (ДВ) від 10 квітня до 10 3 м, середніх хвиль (СВ) від 10 3 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, ДМХ і СМВ часто називають ультракороткими хвилями. Надвисокими частотами називають частоти діапазонів ДМВ і СМВ.
Швидкість поширення радіохвиль у вільному просторі становить 3 • 10 8 м / с.
Дифракція радіохвиль - явище, яке у 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, пагорби, великі міські будівлі і т. д. У той же час хвилі мікрохвильових діапазонів не огинають ці перешкоди, утворюючи безпосередньо за ними зони радіотіні. Завдяки явищу дифракції хвилі огинають нерівності земної поверхні, поширюючись у вигляді поверхневої (земної) хвилі на відстані, що перевищують дальність прямої видимості.
Рефракція радіохвиль - явище заломлення радіохвиль в атмосфері внаслідок зменшення щільності 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 щільність повітря зменшується з висотою швидше, ніж у 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 за різними шляхами. Якщо амплітуди радіохвиль, що приходять по двох шляхах різної довжини, однакові, то при співпадаючих фазах результуюче поле подвоюється, при протилежних фазах дорівнює 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 навколо земної кулі.
Хвилі, що розповсюджуються у вільному просторі (космосі) від одного космічного об'єкта до іншого, носять назву прямих або вільно розповсюджуються. До цієї ж категорії можна в деяких випадках віднести хвилі, що поширюються між наземною станцією і космічним об'єктом, а саме в ті випадках, коли впливом відносно 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 огинають її внаслідок явища дифракції, отримали назву земних або поверхневих. Здатність хвиль огинати перешкоди і дифрагувати навколо них, визначається співвідношенням між довжиною хвилі і розмірами перешкод. Чим нижче частота сигналу, тим більше дальність розповсюдження поверхневої хвилі. Чим коротше хвилі, тим слабше проявляється дифракція. З цієї причини УКВ дуже слабо дифрагує навколо поверхні земної кулі і дальність їх розповсюдження в першому наближенні визначається відстанню прямої видимості.
Ультракороткі хвилі, що поширюються за рахунок розсіювання на неоднорідностях тропосфери на відстань до 1000 км, отримали назву тропосферних.
Нарешті, хвилі довше 10 м, що розповсюджуються навколо земної кулі на скільки завгодно великі відстані за рахунок одноразового та багаторазового відбиття від іоносфери (тобто іонізованої оболонки атмосфери), називаються іоносферними або просторовими.
Шари іоносфери: шар D з слабкою 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: F 1 (висота 190 ... 230 км) і F 2 (висота 230 ... 500 км).
Діапазони частот від 3 до 30 кГц - дуже низькі частоти (ОНЧ) і від 30 до 300 кГц - низькі частоти (НЧ).
Поверхнева хвиля має яскраво виражену здатність до дифракції і забезпечує стійкий надійний радіозв'язок на великих відстанях при використанні 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). Здатність поверхневої хвилі до дифракції виражена слабше, ніж на кілометрових хвилях. У денний час гектометрові хвилі розповсюджуються тільки у вигляді поверхневої хвилі на відстань до 300 ... 500 км над сушею і до 800 ... 1000 км над морем, а вночі-с вигляді поверхневих і просторових хвиль на відстань до 4000 км. Використовуються для службового і любительського зв'язку, а також для радіомовлення.
Декаметрового (короткі) хвилі. Діапазон частот від 3 до 30 МГц-високі частоти (ВЧ). Основний діапазон, використовуваний для аматорського та професійного радіозв'язку на відстані в кілька тисяч і десятків тисяч кілометрів. Радіозв'язок на декаметрових хвилях проводиться тільки за допомогою просторових хвиль, так як поверхневі хвилі в цьому діапазоні мають слабку здатність до дифракції і кривизну земної кулі практично не огинають. Зазвичай в денний час для зв `язку застосовують« денні »хвилі (від 10 до 20 м), а вночі, коли іонізація стає більш слабкою, -« нічні »хвилі (від 35 до 70 м). Зв `язок на декаметрових хвилях часто порушується через глибокі завмирань сигналу. Причини завмирань - зміни різниці фаз променів, які прийшли в точку прийому за різними шляхами (інтерференційні завмирання з періодом кілька секунд); поворот площини поляризації внаслідок подвійного променезаломлення в іоносфері (поляризаційні завмирання); підвищений загасання в шарі Д в періоди максимуму сонячної активності аж до повного поглинання просторової хвилі (тривалість завмирання до 60 хв); зникнення шару Р 2 у високих широтах і зниження МПЧ в середніх широтах через корпускулярного випромінювання Сонця (зовнішні ознаки поява полярних злиттів, тривалість порушень з цим кілька днів). Заходи боротьби з інтерференційними і поляризаційними завмираннями-прийом на рознесені антени і на рознесених частотах, застосування глибокої АРУ в приймачах, а при завмираннях через корпускулярного випромінювання Сонця перехід на більш низькі частоти.
При зв'язку на декаметрових хвилях можлива поява «зони мовчання» у вигляді кільцевої області, яка укладена між радіусом дії поверхневої хвилі і відстанню, на якій з'являється відбита від іоносфери просторова хвиля. Якість телекомунікації на верхньому рівні діапазону частот може погіршуватися також через те, що в точку прийому крім основного сигналу приходить з більшим часовим зсувом (до 0,1 с) другий сигнал, минулий більш довгий шлях по дузі великого кола (кругосвітня луна) .
Мікрохвильові діапазони. Включають в себе метрові хвилі (дуже високі частоти, ДВЧ, 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, так як в цих діапазонах просторові хвилі від іоносфери не відображаються. Оскільки дифракція поверхневої хвилі в цих діапазонах майже не проявляється, поширення 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 телевізійних передач стає нестабільним і нестійким. На метрових хвилях спостерігаються окремі випадки далекого і наддалекого прийому телевізійних передач внаслідок розсіювання радіохвиль на неоднорідностях атмосфери і відбиття радіохвиль від областей іоносфери з підвищеною іонізацією.
На дециметрових хвилях дифракція практично відсутній, і дальність прийому не перевищує дальності прямої видимості. Випадки далекого і наддалекого прийому телевізійних передач 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 поширення істотно залежить від метеоумов. Поглинання сантиметрових хвиль у вологому повітрі становить 0,01 дБ / км, на частоті 24 ГГц спостерігається резонансне поглинання у водяному парі (0,2 дБ / км), на частоті 60 ГГц в кисні (13 дБ / км). Поглинання і розсіювання відбувається під час дощу від 0,1 до 10 дБ / км в залежності від інтенсивності дощу.
Мікрохвильові діапазони використовуються для професійного й аматорського зв'язку, радіолокації, передачі телевізійних програм і УКХ-ЧМ мовлення. У цих діапазонах працюють супутникові системи зв'язку та радіорелейні лінії. [3]
Впевнений прийом дальніх мовних станцій залежить як від пори року, так і від сонячної активності. Справа в тому, що сонячна активність істотно впливає на стан іоносфери - оболонки Землі, що складається з розрядженого і іонізованого газу. Ця оболонка простягається 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, поширюються прямолінійно. Але вони можуть долати багато тисяч кілометрів, огинаючи земну кулю величезними стрибками від кількох сотень до 3000 км і більше, відбиваючись поперемінно від шару іонізованого газу і від поверхні Землі або від води.
Ще в 20-х роках нашого століття вважалося, що радіохвилі коротше 200 м взагалі не придатні для телекомунікації з-за сильного поглинання. І, от 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 кеннел незалежно один від одного припустили, що десь навколо Землі існує іонізований шар атмосфери, здатний відображати радіохвилі. Цей шар отримав назву Хевісайда-кеннел, або іоносфери.
За сучасними уявленнями іоносфера складається з негативно заряджений вільних електронів і позитивно заряджений іонів, в основному молекулярного кисню O + і окису 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 затратити деяку енергію - енергію іонізації, основним джерелом якої для іоносфери є Сонце, точніше його ультрафіолетове, рентгенівське і корпускулярне випромінювання.
Поки газова оболонка Землі висвітлена Сонцем, в ній безперервно утворюються дедалі нові і нові електрони, але одночасно частина електронів, стикаючись з іонами, знову утворює нейтральні частинки - атоми і молекули. Після заходу Сонця утворення нових електронів майже припиняється, і кількість вільних електронів починає спадати. Взагалі, чим більше вільних електронів в іоносфері, тим краще від неї відображаються хвилі високої частоти. А якщо електронів мало, то далеке проходження спостерігається тільки на низькочастотних КВ діапазонах. Ось 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 кілька шарів або областей підвищеної концентрації електронів. Ці області плавно переходять одна в іншу і по-різному впливають на поширення радіохвиль КВ діапазону.
Сама верхня область, до речі, сама щільна, отримала назву області F. Вона розташована на висоті більше 150 км над поверхнею Землі і грає основну відбивну роль при далекому поширення 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. Зазвичай шар F2 іонізований значно сильніше шару F1. Вночі шар F1 зникає, а шар F2 залишається, повільно втрачаючи до 60% своєї іонізації.
Нижче області F на висотах від 90 до 150 км розташована область E, іонізація якої відбувається під впливом м'якого рентгенівського випромінювання Сонця. Зазвичай ступінь іонізації області E нижче, ніж області F. Проте вдень прийом станцій низькочастотних КВ діапазонів 31 і 25 м відбувається при відображенні сигналів від області E. Зазвичай це станції, розташовані на відстані 1000 ... 1500 км. Вночі в області E іонізація різко зменшується, але і в цей час вона продовжує відігравати помітну роль у прийомі сигналів станцій діапазонів 41, 49 і 75 м.
Великий інтерес для прийому сигналів високочастотних КВ діапазонів 16, 13 і 11 м представляють 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 / год. Влітку в середніх широтах в денний час походження радіохвиль за рахунок хмар Es за місяць буває 15 ... 20 днів. У районі екватора він є майже завжди, а у високих широтах зазвичай з'являється вночі. У роки низької сонячної активності, коли немає проходження на високочастотний КВ діапазонах, іноді, як подарунок, на діапазонах 16, 13 і 11 м з хорошою гучністю раптом з'являються дальні станції, сигнали яких багаторазово відбилися 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 позначаються 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 відбиваються від шарів F2 і E.
З викладеного вище стала зрозуміла роль окремих шарів іоносфери а розповсюдження сигналів КВ радіостанцій. Необхідно додати, що якщо сигнал відбився від шару E (або Es), то стрибок не перевищує 2000 км, а від шару F (точніше F2) - 4000 км. Скачков може бути кілька, і тоді до вашого радіоприймача приходять сигнали від мовних станцій, віддалених на тисячі кілометрів. На денній стороні Землі такий сигнал досить сильно послаблюється при багаторазовому 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, відбившись від шару F2, не повертається назад до Землі, а поширюється, відбиваючись поперемінно від шарів E (Es) і F2. Хвиля ніби потрапила в іоносферний хвилевід і проходить багато тисяч кілометрів при відносно малому ослаблення.
А ось відповідні умови для виходу хвилі з цього хвилеводу зазвичай утворюються в місці прийому при сході або заході Сонця. Зазвичай 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 робить одинадцятирічний період сонячної активності, фаза якого визначає загальну інтенсивність сонячного ультрафіолетового та рентгенівського випромінювань, а отже і сумарну іонізацію атмосфери Землі: у роки максимуму ця іонізація зростає, у роки мінімуму - убуває. Зрозуміло тому, що для практики розповсюдження КВ дуже важливо мати відомості про стан сонячної активності.
Протягом довгого часу після початку застосування в техніці зв'язку і в радіолокації ультракоротких хвиль вчені та інженери вважали, що хвилі цього діапазону не здатні поширюватися на великі відстані. І тільки до 1950 р. на підставі численних експериментальних фактів був зроблений висновок про існування нового механізму, що сприяє поширенню УКХ на відстані, значно перевершують дальність дифракційного горизонту.
Спеціально поставлені дослідження показали, що причиною далекого поширення УКХ є розсіяння хвиль на глобулярних неоднорідностях тропосфери і віддзеркалення від шаруватих неоднорідностей.
В якості прийомних антен у тропосферних лініях зв'язку застосовуються також спрямовані антени. Тому в приймальню антену потрапляють тільки ті промені, які розсіюються неоднорідностями, розташованими в межах загального обсягу, утвореного перетином просторових діаграм спрямованості передавальної і приймальної антен.
Великою перевагою тропосферних ліній зв'язку в порівнянні з лініями іоносферного розсіювання та метеорними трасами є можливість передачі відносно великих потоків інформації. У той час як по лініях іоносферного розсіювання і по метеорним | трасах можна передавати одне-два телеграфних повідомлення, тропосферні канали здатні пропускати одну телевізійну передачу або 120 телефонних розмов. Проте якість передачі по тропосферним каналах помітно поступається передачі по радіорелейних лініях зв'язку звичайного типу.
Для отримання такої відносної широкосмуговості доводиться приймати енергійні заходи для боротьби з завмираннями, супроводжуючими тропосферного розповсюдження хвиль. Досягається це застосуванням на кожному кінцевому пункті ліній зв'язку двох передавачів по 10-15 квт, що працюють на різних частотах, і двох великих антен (звичайно параболічних, розміром 20X20 м), чотирьох окремих приймальних пристроїв для здійснення рознесення по частоті і в просторі.
У системах оптичної і лазерної зв'язку застосовуються частоти чотирнадцятого і п'ятнадцятого діапазонів (до 10 15 Гц).
Діапазон міріаметрових хвиль (3 - 30 кГц) використовується, як правило, для радіозв'язку під водою, діапазони кілометрових (30-300 кГц) і Гектометровиє (300 - 3000 кГц) хвиль застосовуються у звуковому радіомовлення та міжнародної рятувальній службі. На декаметрових хвилях (короткохвильовий діапазон 3-30 МГц) працюють системи далекого звукового радіомовлення, далекого радіотелефонного і телеграфного радіозв'язку.
Сучасні системи радіозв'язку, призначені для передачі багатоканальних телефонних повідомлень, телебачення, передачі даних зі 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 у сучасній радіоелектроніці.
2. Долуханов М. П. Поширення радіохвиль. - М.: Радянське «Радіо», 1972.
3. Довідкова книга радіоаматора. / Под ред. М. І. Чистякова. - М.: Радіо і зв'язок, 1990.
4. Довідник з радіоелектронним системам. / Под ред. Б. Х. Кривицького. - М.: Енергія, 1979.
5. Фейнберг Є. Л. Поширення радіохвиль вздовж земної поверхневий. - М.: Изд-во АН СРСР, 1979.
6. Фок В. А. Дифракція радіохвиль навколо земної поверхні. - М.: Изд-во АН СРСР, 1979.
7. Фок В. А. Проблеми дифракції і поширення електромагнітних хвиль. - М.: Радянське «Радіо», 1970.
8. Чорний Ф. Б. Поширення радіохвиль. - М.: Радянське «Радіо», 1975.
Введення
1. Поняття, класифікація радіохвиль
2. Особливості поширення радіохвиль
3. Фактори, що впливають на дальність і якість радіохвиль
Висновок
Література
Введення
У системах передачі інформації за допомогою радіотехнічних і радіоелектронних приладів розрізняють три ланки: передавальний пристрій, середовище, в якому поширюються радіохвилі, і приймальний пристрій.Зрозуміло, що якщо радіоелектронна система включає до свого складу тракт розповсюдження, то бездоганна і надійна робота системи в цілому значною мірою визначається також умовами розповсюдження радіохвиль на ділянці, що розділяє передавальну і приймальну антени.
У процесі поширення хвилі піддаються ослаблення і спотворення. 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 разів перевищувало рівень перешкод (залежно від умов роботи каналу зв'язку і вимог до надійності). По-друге, сигнали не повинні піддаватися надмірним спотворенням, неминуче виникають у процесі розповсюдження. Спотворення повинні знаходитися в межах допустимих норм.
Передача інформації може порушитися або при значному зниженні рівня сигналу (який при цьому вже не буде виділятися на тлі перешкод), або при сильному спотворенні форми сигналу (його розтяганні, дробленні і т. д.).
Вільно поширюються радіохвилі знаходять в сучасній техніці обширні і різноманітні застосування, а саме: в системах зв'язку, в 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 • 10 12 Гц.Використовуються в техніці зв'язку хвилі прийнято підрозділяти по десятковій ознакою на діапазони: наддовгих хвиль (СДВ) від 10 5 до 10 4 м, довгих хвиль (ДВ) від 10 квітня до 10 3 м, середніх хвиль (СВ) від 10 3 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, ДМХ і СМВ часто називають ультракороткими хвилями. Надвисокими частотами називають частоти діапазонів ДМВ і СМВ.
Швидкість поширення радіохвиль у вільному просторі становить 3 • 10 8 м / с.
Дифракція радіохвиль - явище, яке у 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, пагорби, великі міські будівлі і т. д. У той же час хвилі мікрохвильових діапазонів не огинають ці перешкоди, утворюючи безпосередньо за ними зони радіотіні. Завдяки явищу дифракції хвилі огинають нерівності земної поверхні, поширюючись у вигляді поверхневої (земної) хвилі на відстані, що перевищують дальність прямої видимості.
Рефракція радіохвиль - явище заломлення радіохвиль в атмосфері внаслідок зменшення щільності 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 щільність повітря зменшується з висотою швидше, ніж у 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 за різними шляхами. Якщо амплітуди радіохвиль, що приходять по двох шляхах різної довжини, однакові, то при співпадаючих фазах результуюче поле подвоюється, при протилежних фазах дорівнює 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 навколо земної кулі.
Хвилі, що розповсюджуються у вільному просторі (космосі) від одного космічного об'єкта до іншого, носять назву прямих або вільно розповсюджуються. До цієї ж категорії можна в деяких випадках віднести хвилі, що поширюються між наземною станцією і космічним об'єктом, а саме в ті випадках, коли впливом відносно 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 огинають її внаслідок явища дифракції, отримали назву земних або поверхневих. Здатність хвиль огинати перешкоди і дифрагувати навколо них, визначається співвідношенням між довжиною хвилі і розмірами перешкод. Чим нижче частота сигналу, тим більше дальність розповсюдження поверхневої хвилі. Чим коротше хвилі, тим слабше проявляється дифракція. З цієї причини УКВ дуже слабо дифрагує навколо поверхні земної кулі і дальність їх розповсюдження в першому наближенні визначається відстанню прямої видимості.
Ультракороткі хвилі, що поширюються за рахунок розсіювання на неоднорідностях тропосфери на відстань до 1000 км, отримали назву тропосферних.
Нарешті, хвилі довше 10 м, що розповсюджуються навколо земної кулі на скільки завгодно великі відстані за рахунок одноразового та багаторазового відбиття від іоносфери (тобто іонізованої оболонки атмосфери), називаються іоносферними або просторовими.
Шари іоносфери: шар D з слабкою 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: F 1 (висота 190 ... 230 км) і F 2 (висота 230 ... 500 км).
2. Особливості поширення радіохвиль
Міріаметровиє і кілометрові хвиліДіапазони частот від 3 до 30 кГц - дуже низькі частоти (ОНЧ) і від 30 до 300 кГц - низькі частоти (НЧ).
Поверхнева хвиля має яскраво виражену здатність до дифракції і забезпечує стійкий надійний радіозв'язок на великих відстанях при використанні 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). Здатність поверхневої хвилі до дифракції виражена слабше, ніж на кілометрових хвилях. У денний час гектометрові хвилі розповсюджуються тільки у вигляді поверхневої хвилі на відстань до 300 ... 500 км над сушею і до 800 ... 1000 км над морем, а вночі-с вигляді поверхневих і просторових хвиль на відстань до 4000 км. Використовуються для службового і любительського зв'язку, а також для радіомовлення.
Декаметрового (короткі) хвилі. Діапазон частот від 3 до 30 МГц-високі частоти (ВЧ). Основний діапазон, використовуваний для аматорського та професійного радіозв'язку на відстані в кілька тисяч і десятків тисяч кілометрів. Радіозв'язок на декаметрових хвилях проводиться тільки за допомогою просторових хвиль, так як поверхневі хвилі в цьому діапазоні мають слабку здатність до дифракції і кривизну земної кулі практично не огинають. Зазвичай в денний час для зв `язку застосовують« денні »хвилі (від 10 до 20 м), а вночі, коли іонізація стає більш слабкою, -« нічні »хвилі (від 35 до 70 м). Зв `язок на декаметрових хвилях часто порушується через глибокі завмирань сигналу. Причини завмирань - зміни різниці фаз променів, які прийшли в точку прийому за різними шляхами (інтерференційні завмирання з періодом кілька секунд); поворот площини поляризації внаслідок подвійного променезаломлення в іоносфері (поляризаційні завмирання); підвищений загасання в шарі Д в періоди максимуму сонячної активності аж до повного поглинання просторової хвилі (тривалість завмирання до 60 хв); зникнення шару Р 2 у високих широтах і зниження МПЧ в середніх широтах через корпускулярного випромінювання Сонця (зовнішні ознаки поява полярних злиттів, тривалість порушень з цим кілька днів). Заходи боротьби з інтерференційними і поляризаційними завмираннями-прийом на рознесені антени і на рознесених частотах, застосування глибокої АРУ в приймачах, а при завмираннях через корпускулярного випромінювання Сонця перехід на більш низькі частоти.
При зв'язку на декаметрових хвилях можлива поява «зони мовчання» у вигляді кільцевої області, яка укладена між радіусом дії поверхневої хвилі і відстанню, на якій з'являється відбита від іоносфери просторова хвиля. Якість телекомунікації на верхньому рівні діапазону частот може погіршуватися також через те, що в точку прийому крім основного сигналу приходить з більшим часовим зсувом (до 0,1 с) другий сигнал, минулий більш довгий шлях по дузі великого кола (кругосвітня луна) .
Мікрохвильові діапазони. Включають в себе метрові хвилі (дуже високі частоти, ДВЧ, 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, так як в цих діапазонах просторові хвилі від іоносфери не відображаються. Оскільки дифракція поверхневої хвилі в цих діапазонах майже не проявляється, поширення 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 телевізійних передач стає нестабільним і нестійким. На метрових хвилях спостерігаються окремі випадки далекого і наддалекого прийому телевізійних передач внаслідок розсіювання радіохвиль на неоднорідностях атмосфери і відбиття радіохвиль від областей іоносфери з підвищеною іонізацією.
На дециметрових хвилях дифракція практично відсутній, і дальність прийому не перевищує дальності прямої видимості. Випадки далекого і наддалекого прийому телевізійних передач 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 поширення істотно залежить від метеоумов. Поглинання сантиметрових хвиль у вологому повітрі становить 0,01 дБ / км, на частоті 24 ГГц спостерігається резонансне поглинання у водяному парі (0,2 дБ / км), на частоті 60 ГГц в кисні (13 дБ / км). Поглинання і розсіювання відбувається під час дощу від 0,1 до 10 дБ / км в залежності від інтенсивності дощу.
Мікрохвильові діапазони використовуються для професійного й аматорського зв'язку, радіолокації, передачі телевізійних програм і УКХ-ЧМ мовлення. У цих діапазонах працюють супутникові системи зв'язку та радіорелейні лінії. [3]
3. Фактори, що впливають на дальність і якість радіохвиль
На відміну від СДВ і ДВ, які відбиваються від нижньої межі іоносфери, не проникаючи в її товщу, і від СВ, які відбиваються від області Е тільки в нічні години, у поширенні КВ беруть участь всі три шари іоносфери: D, Е і F 2 . При цьому області D і Е зазвичай виконують функції поглинаючих шарів, а F 2 - відбиває шару. Так само, як і в діапазоні СДВ, на КВ можна встановити зв'язок з будь-якою точкою земної кулі, однак якщо на довгих хвилях це досягається ціною застосування надпотужних передавачів (в сотні кіловат) і дуже складних і високих антен (з щоглами висотою в сотні метрів) , то в діапазоні КХ зв'язок з антиподом може бути здійснена за допомогою передавача потужністю в десятки ватт і дуже простих антен. Крім того, завдяки більшій частотної ємності діапазону КВ у порівнянні з ємністю діапазонів ДВ і СДВ, в ньому може одночасно працювати без взаємних перешкод велике число телеграфних та фототелеграфних каналів зв'язку і систем зв'язку для передачі даних. [4]Впевнений прийом дальніх мовних станцій залежить як від пори року, так і від сонячної активності. Справа в тому, що сонячна активність істотно впливає на стан іоносфери - оболонки Землі, що складається з розрядженого і іонізованого газу. Ця оболонка простягається 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, поширюються прямолінійно. Але вони можуть долати багато тисяч кілометрів, огинаючи земну кулю величезними стрибками від кількох сотень до 3000 км і більше, відбиваючись поперемінно від шару іонізованого газу і від поверхні Землі або від води.
Ще в 20-х роках нашого століття вважалося, що радіохвилі коротше 200 м взагалі не придатні для телекомунікації з-за сильного поглинання. І, от 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 кеннел незалежно один від одного припустили, що десь навколо Землі існує іонізований шар атмосфери, здатний відображати радіохвилі. Цей шар отримав назву Хевісайда-кеннел, або іоносфери.
За сучасними уявленнями іоносфера складається з негативно заряджений вільних електронів і позитивно заряджений іонів, в основному молекулярного кисню O + і окису 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 затратити деяку енергію - енергію іонізації, основним джерелом якої для іоносфери є Сонце, точніше його ультрафіолетове, рентгенівське і корпускулярне випромінювання.
Поки газова оболонка Землі висвітлена Сонцем, в ній безперервно утворюються дедалі нові і нові електрони, але одночасно частина електронів, стикаючись з іонами, знову утворює нейтральні частинки - атоми і молекули. Після заходу Сонця утворення нових електронів майже припиняється, і кількість вільних електронів починає спадати. Взагалі, чим більше вільних електронів в іоносфері, тим краще від неї відображаються хвилі високої частоти. А якщо електронів мало, то далеке проходження спостерігається тільки на низькочастотних КВ діапазонах. Ось 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 кілька шарів або областей підвищеної концентрації електронів. Ці області плавно переходять одна в іншу і по-різному впливають на поширення радіохвиль КВ діапазону.
Сама верхня область, до речі, сама щільна, отримала назву області F. Вона розташована на висоті більше 150 км над поверхнею Землі і грає основну відбивну роль при далекому поширення 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. Зазвичай шар F2 іонізований значно сильніше шару F1. Вночі шар F1 зникає, а шар F2 залишається, повільно втрачаючи до 60% своєї іонізації.
Нижче області F на висотах від 90 до 150 км розташована область E, іонізація якої відбувається під впливом м'якого рентгенівського випромінювання Сонця. Зазвичай ступінь іонізації області E нижче, ніж області F. Проте вдень прийом станцій низькочастотних КВ діапазонів 31 і 25 м відбувається при відображенні сигналів від області E. Зазвичай це станції, розташовані на відстані 1000 ... 1500 км. Вночі в області E іонізація різко зменшується, але і в цей час вона продовжує відігравати помітну роль у прийомі сигналів станцій діапазонів 41, 49 і 75 м.
Великий інтерес для прийому сигналів високочастотних КВ діапазонів 16, 13 і 11 м представляють 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 / год. Влітку в середніх широтах в денний час походження радіохвиль за рахунок хмар Es за місяць буває 15 ... 20 днів. У районі екватора він є майже завжди, а у високих широтах зазвичай з'являється вночі. У роки низької сонячної активності, коли немає проходження на високочастотний КВ діапазонах, іноді, як подарунок, на діапазонах 16, 13 і 11 м з хорошою гучністю раптом з'являються дальні станції, сигнали яких багаторазово відбилися 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 позначаються 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 відбиваються від шарів F2 і E.
З викладеного вище стала зрозуміла роль окремих шарів іоносфери а розповсюдження сигналів КВ радіостанцій. Необхідно додати, що якщо сигнал відбився від шару E (або Es), то стрибок не перевищує 2000 км, а від шару F (точніше F2) - 4000 км. Скачков може бути кілька, і тоді до вашого радіоприймача приходять сигнали від мовних станцій, віддалених на тисячі кілометрів. На денній стороні Землі такий сигнал досить сильно послаблюється при багаторазовому 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, відбившись від шару F2, не повертається назад до Землі, а поширюється, відбиваючись поперемінно від шарів E (Es) і F2. Хвиля ніби потрапила в іоносферний хвилевід і проходить багато тисяч кілометрів при відносно малому ослаблення.
А ось відповідні умови для виходу хвилі з цього хвилеводу зазвичай утворюються в місці прийому при сході або заході Сонця. Зазвичай 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 робить одинадцятирічний період сонячної активності, фаза якого визначає загальну інтенсивність сонячного ультрафіолетового та рентгенівського випромінювань, а отже і сумарну іонізацію атмосфери Землі: у роки максимуму ця іонізація зростає, у роки мінімуму - убуває. Зрозуміло тому, що для практики розповсюдження КВ дуже важливо мати відомості про стан сонячної активності.
Протягом довгого часу після початку застосування в техніці зв'язку і в радіолокації ультракоротких хвиль вчені та інженери вважали, що хвилі цього діапазону не здатні поширюватися на великі відстані. І тільки до 1950 р. на підставі численних експериментальних фактів був зроблений висновок про існування нового механізму, що сприяє поширенню УКХ на відстані, значно перевершують дальність дифракційного горизонту.
Спеціально поставлені дослідження показали, що причиною далекого поширення УКХ є розсіяння хвиль на глобулярних неоднорідностях тропосфери і віддзеркалення від шаруватих неоднорідностей.
В якості прийомних антен у тропосферних лініях зв'язку застосовуються також спрямовані антени. Тому в приймальню антену потрапляють тільки ті промені, які розсіюються неоднорідностями, розташованими в межах загального обсягу, утвореного перетином просторових діаграм спрямованості передавальної і приймальної антен.
Великою перевагою тропосферних ліній зв'язку в порівнянні з лініями іоносферного розсіювання та метеорними трасами є можливість передачі відносно великих потоків інформації. У той час як по лініях іоносферного розсіювання і по метеорним | трасах можна передавати одне-два телеграфних повідомлення, тропосферні канали здатні пропускати одну телевізійну передачу або 120 телефонних розмов. Проте якість передачі по тропосферним каналах помітно поступається передачі по радіорелейних лініях зв'язку звичайного типу.
Для отримання такої відносної широкосмуговості доводиться приймати енергійні заходи для боротьби з завмираннями, супроводжуючими тропосферного розповсюдження хвиль. Досягається це застосуванням на кожному кінцевому пункті ліній зв'язку двох передавачів по 10-15 квт, що працюють на різних частотах, і двох великих антен (звичайно параболічних, розміром 20X20 м), чотирьох окремих приймальних пристроїв для здійснення рознесення по частоті і в просторі.
Висновок
Для радіозв'язку використовуються наступні 12 діапазонів радіохвиль, межі яких по частоті визначаються співвідношенням 0,3 · 10 N -3 · 10 N (тут N - номер діапазону): четвертий - Міріаметровиє хвилі (100-10 км), п'ятий - кілометрові хвилі 10 - 1 км), шостий - гектометрові хвилі (1000-100 м), сьомий-декаметрових хвиль (100-10 м), восьмий - 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 - дециміліметрові хвилі (1,0-0,1 мм).У системах оптичної і лазерної зв'язку застосовуються частоти чотирнадцятого і п'ятнадцятого діапазонів (до 10 15 Гц).
Діапазон міріаметрових хвиль (3 - 30 кГц) використовується, як правило, для радіозв'язку під водою, діапазони кілометрових (30-300 кГц) і Гектометровиє (300 - 3000 кГц) хвиль застосовуються у звуковому радіомовлення та міжнародної рятувальній службі. На декаметрових хвилях (короткохвильовий діапазон 3-30 МГц) працюють системи далекого звукового радіомовлення, далекого радіотелефонного і телеграфного радіозв'язку.
Сучасні системи радіозв'язку, призначені для передачі багатоканальних телефонних повідомлень, телебачення, передачі даних зі 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 у сучасній радіоелектроніці.
Література
1. Альперт Я. Л., Гусєва Е. Г., Флігель Д. С. Поширення низькочастотних електромагнітних хвиль в хвилеводі Земля - іоносфера. - М.: Изд-во «Наука», 1977.2. Долуханов М. П. Поширення радіохвиль. - М.: Радянське «Радіо», 1972.
3. Довідкова книга радіоаматора. / Под ред. М. І. Чистякова. - М.: Радіо і зв'язок, 1990.
4. Довідник з радіоелектронним системам. / Под ред. Б. Х. Кривицького. - М.: Енергія, 1979.
5. Фейнберг Є. Л. Поширення радіохвиль вздовж земної поверхневий. - М.: Изд-во АН СРСР, 1979.
6. Фок В. А. Дифракція радіохвиль навколо земної поверхні. - М.: Изд-во АН СРСР, 1979.
7. Фок В. А. Проблеми дифракції і поширення електромагнітних хвиль. - М.: Радянське «Радіо», 1970.
8. Чорний Ф. Б. Поширення радіохвиль. - М.: Радянське «Радіо», 1975.
[1] Фок В. А. Дифракція радіохвиль навколо земної поверхні. - М.: Изд-во АН СРСР, 1979.
[2] Долуханов М. П. Поширення радіохвиль. - М.: Радянське «Радіо», 1972.
[3] Довідкова книга радіоаматора. / Под ред. М. І. Чистякова. - М.: Радіо і зв'язок, 1990.
[4] Чорний Ф. Б. Поширення радіохвиль. - М.: Радянське «Радіо», 1975.