Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не слишком
высокой, а электронная плотность ионосферного слоя
достаточной для отражения этой волны в соответствии
с (3-44). Из этого условия выбирается максимальная
применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней
границей рабочего диапазона.
Второе условие ограничивает рабочий диапазон
снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах
коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение
волны в ионосфере (см. рис. 5). Наименьшая
применимая частота (НПЧ) определяется из условия,
что при данной мощности передатчика напряженность
электромагнитного поля должна быть достаточной для
приема.
Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток:
Днем работают на волнах 10-25 м, а ночью на
волнах 35-100 м.
Необходимость правильного выбора длины волны для
сеансов связи в различное время усложняет
конструкцию станции и работу оператора.
Зоной молчания KB называют кольцевую область,
существующую на некотором расстоянии от передающей
станции, в пределах которой невозможен прием
радиоволн. Появление зоны молчания объясняется тем,
что земная волна затухает и не достигает этой
области (точка 6 на рис. 3-39, а), а для ионосферных
волн, падающих под малыми углами на ионосферу, не
выполняются условия отражения (3-44). Пределы зоны
молчания (ВС) расширяются при укорочении длины волны
и снижении электронной плотности.
Замирания в диапазоне KB более глубоки, чем в
диапазоне СВ. Основной причиной замираний является
интерференция лучей, распространяющихся путем одного
и двух отражений от ионосферы (рис. 3-39, о). Помимо
этого замирания вызываются рассеянием радиоволн на
неоднородностях ионосферы и интерференцией
рассеянных волн (рис. 3-39,6), а также
интерференцией обыкновенной и необыкновенной
составляющих магниторасщепленной волны (рис.
3-39,в). Обработка измерений за короткие.интервалы
времени (до 5 мин) показала, что ф-ции распределения
амплитуд близки к распределению Рэлея (3-54). В
течение больших интервалов времени наблюдений
распределение ближе к логарифмически нормальному со
среднеквадратичным отклонением 6±1,25 дБ. В обоих
случаях разность между уровнями напряженности поля
сигнала, превышаемыми в течение 10 и 90% времени,
составляет 16±3,2 дБ.
Скорость замирания (§ 3-6) лежит в пределах 6 -
16 замираний в минуту. На линиях протяженностью 3000
км скорость замираний в 2 - 6 раза меньше, чем на
линии протяженностью 6000 км. Интервал времени
корреляции колеблется в пределах?о = 4,5 - 1,5 с.
Масштаб пространственной корреляции зависит от
протяженности линии радиосвязи, рабочей частоты,
характера неоднородностей ионосферы и лежит в
пределах rо==210-560 м (10 - 25?). Для борьбы с
замираниями применяется прием па разнесенные
антенны. Направление разноса рекомендуется выбирать
перпендикулярным к направлению трассы, расстояние
разноса берут порядка масштаба корреляции 10?.
Сигналы, принятые на разнесенные антенны, складывают
после детектирования. Эффективным является
разнесение по поляризации - прием на две антенны,
имеющие взаимно перпендикулярную поляризацию.
Используются также приемные антенны с
узкой диаграммой направленности, ориентированной на
прием только одного из лучей.
При благоприятных условиях распространения KB могут огибать земной шар один и несколько раз. Тогда помимо основного сигнала может быть принят второй сигнал, запаздывающий примерно на 0,1 с и называемый радиоэхо. Радиоэхо оказывает мешающее действие, на линиях меридионального направления.
5.3. Среды распространения сигнала
Для систем авиационной электросвязи средами распространения сигнала в проводных линиях являются (воздушная линия, кабель, волновод, оптоволокно), а в радиолиниях – атмосфера и космическое пространство.
В воздушных линиях средой распространения сигнала являются один или два проводника, подвешенные на столбах. Диапазон рабочих частот сигналов воздушных линий равен 0…10 5 Гц.
В кабельных линиях средой распространения сигнала являются радиокабели. Радиокабели подразделяются на симметричные и коаксиальные.
Симметричный радиокабель представляет собой два параллельно расположенных изолированных проводника, помещенных в диэлектрическую среду. Диапазон рабочих частот сигналов симметричных кабельных линий равен 0…10 6 Гц.
Коаксиальный радиокабель представляет собой два концентрически расположенных изолированных проводника, помещенных в диэлектрическую среду. Диапазон рабочих частот сигналов коаксиальных кабельных линий равен 0…10 8 Гц.
В волноводных линиях средой распространения сигнала является пространство, ограниченное стенками волновода. По волноводу распространяется электромагнитная волна. Диапазон рабочих частот электромагнитных волн в волноводных линиях равен (3…10)10 10 Гц.
В оптоволоконных линиях средой распространения сигнала является опти́ческое волокно́, представляющее собой нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса световых волн внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Диапазон рабочих частот световых волн в оптоволоконных линиях равен 10 14 . ...10 15 Гц.
В радиолиниях передача информации осуществляется посредством радиоволню
Классификация диапазонов радиоволн и радиочастот приведена в Таблице 1.1. Длина радиоволны λ и частота f связаны соотношением λf = 3×10 8 м/с. Тогда: λ [м] = 300/ f [МГц] .
Атмосфера подразделяется на три основные области:тропосфера, стратосфера и ионосфера.
Тропосфера (нижняя атмосфера) располагается от поверхности Земли и до высот 15…18 км и характеризуется наличием тропосферных неоднородностей: паров воды, облаков. Тропосферные неоднородности способны отражать падающие на них радиоволны.
Стратосфера простирается примерно до 60…80 км.
Ионосфера начинается с высот 60…80 км и простирается до высоты 1500 км и имеет слоистый характер неоднородностей, определяемый размещением газов в атмосфере: в нижней части ионосферы располагаются тяжелые газы, а выше – более легкие газы.
Падающее на ионосферу излучение Солнца вызывает ионизацию газа. Поскольку плотность газа на больших высотах мала, то вероятность рекомбинации невелика. По этой причине значительная часть газа остается ионизированной, т. е. представляет собой плазму. Ионизированный газ обладает электропроводностью. Концентрация свободных электронов определяется интенсивностью ионизирующего излучения Солнца и зависит от высоты, времени суток и сезона года. На очень больших высотах плотность газа мала, соответственно уменьшается и количество ионов, а в итоге и их влияние на прохождение радиоволн. По этой причине существенное влияние на распространение радиоволн оказывает только часть ионосферы до высот около 500 км. Плотность свободных электронов в ионосфере составляет 10 3 …10 6 эл/см 3 .
Полная картина физических процессов при прохождении волн через ионосферу очень сложна. Одна из главных причин этой сложности состоит в том, что фактически ионосфера не представляет собой один слой, а состоит из ряда слоев, обладающих неодинаковыми свойствами (рис. 5.3).
250-500
км
F
2
200-230 км F 1
100-130 км E
молчания
Рис. 5.3. Структура ионосферы
На относительно небольших высотах 60...80 км располагается слой, обозначаемый D , в котором концентрация свободных электронов невелика. Выше на высотах 100…130 км располагается слойЕ , далее на высотах 200…230 км располагается слойF 1 и на высотах 250…500 км – слойF 2, для которого характерна наибольшая концентрация электронов. Состояние этих слоев сильно зависят от времени года и суток, а также от текущего состояния солнечной активности, которая изменяется с периодом 11 лет. Например, слоиD иF 1 существуют только в дневное время, а электронная концентрация слоевЕ иF 2 в ночное время уменьшается.
Волны разной длины могут отражаться в разных слоях, либо вовсе не отражаться. Отсутствие отражений наблюдается при излучении волн под большим углом по отношению к поверхности Земли и при относительно высоких частотах. В этом случае радиоволны «пронзают» ионосферу и уходят в мировое пространство.
Несмотря на изменчивость свойств ионосферы, относительная регулярность этих изменений делает возможным использовать ее на постоянно действующих радиолиниях.
В атмосфере наблюдаются и иные менее регулярные неоднородности (например, следы метеоров, искусственные неоднородности), которые также учитываются в построении ряда радиолиний.
На основе проведенного анализа свойств тропосферы и ионосферы можно сделать вывод, что р адиоволны могут распространяться :
Вдоль земной поверхности (земные или поверхностные волны);
С отражением от неоднородностей, находящихся в среде РРВ (пространственные волны);
В свободном пространстве (когда электрические параметры Земли не влияют на свойства РРВ) – на дальность прямой видимости.
Для некоторых радиолиний можно определить радиоволны, которые, кроме того, могут распространяться в каких-либо геологических слоях Земли, строительных материалах и в воде.
Особенности РРВ зависят от частоты радиоволны:
С ростом частоты (с уменьшением длины волны) поглощение энергии радиоволны в земле возрастает, а в ионосфере – уменьшается;
С уменьшением частоты (с увеличением длины волны) возрастает дифракционная и рефракционная способность распространения радиоволн, т.е. способность огибать земную поверхность и преломляться в неоднородной среде;
С уменьшением частоты радиоволны и с увеличением угла падения волны на ионосферу возрастает отражающая способность ионосферных слоев.
Особенности распространения радиоволн ОНЧ и НЧ диапазонов.
Радиоволны с длинами от 1 до 100 км, соответствующие диапазонам НЧ и ОНЧ, превышают размеры большей части неровностей почвы и препятствий, поэтому при их распространении заметно проявляется дифракция. Благодаря дифракции волны огибают земную поверхность, холмы и даже горные хребты. Однако, обогнув высокое препятствие, волны далее распространяются в свободном пространстве прямолинейно, поэтому возможно образование "мертвой зоны", в пределах которой прием сигналов затруднен или невозможен (рис. 5.4).
Поверхностные волны индуцируют в почве ЭДС, в результате чего часть энергии радиоволны поглощается. По этой причине волны диапазонов НЧ и ОНЧ способны распространяться на расстояния в тысячи километров.
Пространственные волны этих же диапазонов, если они распространяются в направлении ионосферы, отражаются ею, позволяя
Рис. 5.4. Поверхностное распространение радиоволн
ОНЧ и НЧ диапазонов
передавать информацию на столь же большие расстояния. Отражаясь вторично, они достигают еще более отдаленной зоны. Возможны и последующие подобные отражения. Это дает возможность передавать информацию практически в любую точку Земли.
Если в место приема сигнала одновременно приходят поверхностные и пространственные волны, то происходит сложение волн – интерференция . При взаимном наложении интерферирующих волн амплитуда суммарных колебаний зависит от разности их фаз, определяемой разными длинами трасс РРВ, и от значений их напряженностей поля в месте приема.
Явление ослабления уровня радиосигналов вследствие различных процессов при распространении волн называется замиранием .
Распространение радиоволн по разным путям называется многолучевым . Замирания, вызванные интерференцией при многолучевом распространении, называютсяинтерференциоными замираниями.
В НЧ- и ОНЧ- диапазонах глубокие интерференционные замирания сравнительно редки.
Для радиоволн ОНЧ-диапазона наблюдается не только поверхностное и пространственное, но и волноводное распространение в сферическом волноводе «Земля – нижняя граница ионосферы» .
Волны диапазона ОНЧ обладают способностью проникать на сравнительно большую глубину в поверхностный слой земли и даже в морскую воду. Это делает возможной связь в диапазоне ОНЧ с подземными и подводными объектами.
Особенности распространения радиоволн СЧ диапазона
В диапазоне СЧ дальность РРВ с помощью поверхностных волн обычно не превышает 1500 км, так как потери в почве возрастают с повышением частоты.
Пространственные волны этого диапазона в дневное время сильно поглощаются в слое D ионосферы. Ночью поглощение меньше и пространственное РРВ СЧ диапазона возможно на расстояния до 2…3 тыс. км. Однако в силу одинакового порядка значений напряженности поля поверхностной и пространственной волн, ночью возможны глубокие интерференционные замирания радиосигнала СЧ диапазона.
Особенности распространения радиоволн ВЧ диапазона
Поверхностные волны ВЧ диапазона сильно ослабляются из-за значительных потерь энергии радиоволн в почве, поэтому с их помощью дальность передачи информации невелика (не более 100 км).
Пространственное распространение радиоволн ВЧ диапазона с повышением частоты улучшается благодаря уменьшению потерь в ионосфере.
Радиоволны разной длины могут отражаться от разных слоев ионосферы, либо вовсе не отражаться. Для количественной оценки этого явления введено понятие критической частоты f кр радиосигнала , как максимальной частоты радиосигнала, который при вертикальном излучении (α = 90°) отражается от ионосферы и возвращается на Землю (рис. 5.5). Для каждого ионосферного слоя существует своя критическая частота, зависящая от степени ионизации ионосферы. Радиоволны с частотамиf > f кр пронзают ионосферу и уходят в космическое пространство.
Линии связи на основе радиоканала
ЛЕКЦИЯ 2
Существующие типы линий связи (ЛС) в зависимости от используемой среды распространения сигналов принято делить на проводные и линии в атмосфере (радиолинии). Начинают использоваться и беспроводные оптические линии связи.
К линиям связи предъявляются следующие основные требования:
· осуществление связи на требуемые расстояния;
· широкополосность и пригодность для передачи различных видов сообщений;
· защищенность цепей от взаимных влияний и внешних помех, а также от физических воздействий (атмосферных явлений, коррозии и пр.);
· стабильность параметров линии, устойчивость и надежность связи;
· экономичность системы связи в целом.
Рассмотрим особенности распространения электромагнитных колебаний различных диапазонов радиоволн.
Электромагнитные колебания, применяемые для целей связи без проводов подразделяются на радиоволны и оптические волны, характеризуются частотой колебаний и длиной волны и делятся на 9 диапазонов радиоволн и 3 диапазона оптических волн.
Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На величину напряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов. Основные из них:
- отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;
- преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере);
- рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы (тропосфере);
- дифракция на сферической выпуклости Земли.
Кроме того напряженность поля в точке приема зависит от длины волны, освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов.
Классификация и способы распространения радиоволн приведены в табл. 2.1 и табл. 2. 2. Деление радиоволн на диапазоны установлено Международным регламентом радиосвязи МСЭ-Р.
Таблица 2.1 – Классификация диапазонов радиоволн
| Вид радиоволн | Тип радиоволн | Диапазон радиоволн (длина волны) | Но-мер диа-пазо-на | Диапазон частот | Вид радиочастот |
| Мириаметровые | Сверхдлинные | 10..100 км | 3..30 кГц | Очень низкие (ОНЧ) | |
| Километровые | Длинные | 1..10 км | 30..300 кГц | Низкие (НЧ) | |
| Гектометровые | Средние | 100..1000 м | 300..3000 кГц | Средние (СЧ) | |
| Декаметровые | Короткие | 10..100 м | 3..30 МГц | Высокие (ВЧ) | |
| Метровые | 1..10 м | 30..300 МГц | Очень высокие (ОВЧ) | ||
| Дециметровые | Ультракорот-кие | 10..100 см | 300.3000 МГц | Ультравысокие (УВЧ) | |
| Сантиметровые | 1..10 см | 3..30 ГГц | Сверхвысокие (СВЧ) | ||
| Миллиметровые | 1..10 мм | 30..300 ГГц | Крайне- высокие (КВЧ) | ||
| Децимиллиметро-вые | 0.1..1 мм | 300..3000 ГГц | Гипервысокие (ГВЧ) |
Таблица 2 .2 - Способы распространения радиоволн
Частота колебаний связана с длиной волны соотношением:
f = c /λ , где f - частота, Гц; c = 3·10 8 м/с - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве; λ - длина волны, м.
Из таблицы 2.1 видно, что длина волны в 5 диапазоне (длинные волны) исчисляется километрами, в 10-11 диапазонах (диапазоны СВЧ) - сантиметрами и миллиметрами. В оптических диапазонах длины волн исчисляются микрометрами.
Длина волны определяет специфику распространения электромагнитной энергии в условиях Земли. Вспомним, что дифракция радиоволн, явления, возникающие при встрече радиоволн с препятствиями. Радиоволна, встречая при распространении в однородной среде препятствие, изменяется по амплитуде и фазе и проникает в область тени, отклоняясь от прямолинейного пути. В реальных случаях распространения радиоволн препятствия могут иметь произвольную форму и быть как непрозрачными, так и полупрозрачными для радиоволн.
Волны каждого из диапазонов имеют свои особенности распространения, но на границах диапазонов не существует резких изменений этих особенностей.
В свободном пространстве радиоволны распространяются прямолинейно и не испытывают поглощения. Потери при распространении электромагнитных колебаний в свободном пространстве объясняются уменьшением плотности мощности излучения при увеличении расстояния и могут быть найдены по следующей формуле
L 0 = 20 lg (4.189 ·10 4 R 0 · f ) , дБ,
где R 0 - расстояние, км, f - частота, ГГц.
В радиолиниях связи (радиоканалах) средой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли. На рис. 2.1 приведено упрощенное строение атмосферы Земли. Реально строение атмосферы более сложно и приведенное деление на тропосферу, стратосферу и ионосферу достаточно условно. Высота слоев приведена приблизительно и различна для разных географических точек Земли. В тропосфере сосредоточено около 80% массы атмосферы и около 20% - в стратосфере. Плотность атмосферы в ионосфере крайне мала, граница между ионосферой и космическим пространством является условным понятием, так как следы атмосферы встречаются даже на высотах более 400 км. Считается, что плотные слои атмосферы заканчиваются на высоте около 120 км.
Влияние среды на распространение электромагнитных волн проявляется в изменении (большей частью уменьшении) амплитуды поля волны, изменении скорости и направления распространения волны, в повороте плоскости поляризации и в искажении передаваемых сигналов.
Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) от поверхности Земли, будем называть земными, поверхностными радиоволнами (рис. 2.2).
Рисунок 2.1 - Строение атмосферы Земли
Условия распространения радиоволн по естественным трассам вблизи Земли определяются многими факторами: влиянием земной поверхности и различных препятствий, наличием атмосферы, поглощением электромагнитной энергии в гидрометеорах (дожде, снеге, тумане, смоге и пр.). Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн, являясь полупроводящей средой, поглощающей энергию.
Рисунок 2.2 - Земные, поверхностные радиоволны
В окружающей земной шар атмосфере различают две области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу и ионосферу.
Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности, кроме того, ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий.
Распространение тропосферных волн связано с рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной среде, а также с рассеянием и отражением радиоволн от различных неоднородностей.
В ионосфере плотность газа весьма мала и газ ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов. Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы. Путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны распространяются на очень большие расстояния (например, короткие волны могут несколько раз огибать земной шар). Ионосфера является неоднородной средой, и радиоволны рассеиваются в ней, что также обусловливает возможность распространения радиоволн на большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, будем называть ионосферными, пространственными волнами.
За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшаются и на расстоянии, равном 3-4,5 радиусам земного шара, атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован, плотность протонов равна плотности электронов и составляет всего 2-20 эл/см 3 . Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве. Таким образом, оказывается возможным рассматривать раздельно влияние на распространение радиоволн земной поверхности, тропосферы, ионосферы и космического пространства.
Кривизна земной поверхности, неровности рельефа местности и различные искусственные преграды также сильно влияют на распространение электромагнитных волн. В случае соизмеримости длины волны и размеров препятствий волны могут огибать их. К примеру, радиоволны 4 - 5 диапазонов (длинные и сверхдлинные волны) обладают способностью огибать поверхность Земли и могут распространяться на расстояния в несколько тысяч километров поверхностными лучами (рис. 2.3).
Качество связи мало зависит от сезонов или времени суток. Однако каналы связи в этих диапазонах обладают очень узкой полосой пропускания и могут обеспечивать передачу ограниченного объема радиовещательных, телефонных, телеграфных и фототелеграфных сообщений.
Длинные и особенно сверхдлинные волны мало поглощаются при прохождении в толще суши или моря. Так, волны длиной 20-30 км могут проникать в глубину моря на несколько десятков метров и, следовательно, могут использоваться для связи с погруженными подводными лодками, а также для подземной радиосвязи.
Рисунок 2.3 – Сверхдлинные и длинные волны, огибающие поверхность Земли
В 6 диапазоне (средние волны) поверхностный луч претерпевает более сильные поглощения и может распространяться на расстояние 500-1500 километров. Однако, при увеличении плотности ионосферы (в ночные часы) в диапазоне средних волн возможно распространение сигналов пространственным лучом, который может обеспечить связь на расстояние в несколько тысяч километров (рис. 2.4).
Рисунок 2.4 – Распространение гектометровых, средних волн (6 диапазон)
Радиоволны 7 диапазона (короткие волны) поверхностными лучами распространяются на небольшие расстояния из-за поглощения энергии поверхностью Земли (рис. 2.5). Однако пространственные волны могут многократно отражаться от ионосферы и земной поверхности проходить очень значительные расстояния, вплоть до глобальных, обеспечивая передачу сигналов радиовещания, радиотелефонии и радиотелеграфии.
Рисунок 2.5 – Распространение коротких волн
Распространение волн таким способом довольно неустойчиво и подвержено сильным замираниям как медленным (в течение года, сезона, времени суток и пр.), так и быстрым, с периодом в доли и единицы секунд. Медленные замирания объясняются изменениями состояния ионосферы, а быстрые - взаимодействием множества лучей, которые могут попадать в точки приема.
В общем случае короткие волны лучше распространяются ночью и, иногда, способны, последовательно отражаясь от ионосферы и поверхности земли, огибать земной шар.
Радиоволны 8-12 диапазонов (рис. 2.6) позволяют передавать значительно более объемную информацию, включая телевизионные сигналы, сигналы многоканальной телефонии, высокоскоростные цифровые потоки.
Однако пространственные волны этих диапазонов проходят через ионосферу в космическое пространство и для целей наземной связи почти не пригодны, а поверхностные волны распространяются почти прямолинейно, практически не огибая земную поверхность.
Рисунок 2.6 – Распространение сверхкоротких волн
Поэтому они устойчиво проходят только на расстояние прямой видимости между антеннами передающего и приемного оборудования. Это расстояние составляет десятки километров (при реальной высоте подвеса антенн в несколько десятков метров) и для передачи сигналов на большие расстояния приходиться строить цепочки ретрансляторов, образующих радиорелейные линии (РРЛ).
Важным способом передачи сигналов этих диапазонов на большие расстояния является использование для ретрансляции связных спутников. Спутниковые системы позволяют передавать информацию на десятки тысяч километров и перекрывать большие площади на поверхности Земли, вплоть до организации глобальных систем связи.
Возможна также передача сигналов 8 - 9 диапазонов на большие расстояния (значительно превышающие прямую видимость) за счет рассеяния электромагнитной энергии в неоднородностях тропосферы. Этот принцип используется в тропосферных радиолиниях связи (ТРЛ).
С увеличением частоты (больше 10 ГГц) радиоволны ослабляются в газах атмосферы и, особенно сильно - в дожде, снеге, граде. Поэтому в этих диапазонах устойчивое распространение электромагнитных волн возможно на расстоянии меньшем, чем расстояние прямой видимости.
В оптических диапазонах волн можно передавать гигантские объемы информации. В основном для целей связи применяется 3 диапазон оптических волн (инфракрасные волны). При распространении в открытом пространстве они подвержены большим ослаблениям в атмосфере и, практически, обеспечивают связь на расстояние до 4-5 км, однако при использовании таких систем связи нет необходимости получать какие-либо разрешения от инспекций по электросвязи.
Полное ослабление света в атмосфере обусловлено несколькими факторами. Различают ослабление света в атмосфере, свободной от облаков и тумана, и ослабление света в тумане. Первый вид ослабления складывается из рассеяния света на молекулах газа и водяного пара и селективного поглощения. Селективное поглощение в газах и водяных парах атмосферы объясняется взаимодействием их электронной, колебательной и вращательной энергий с электромагнитными колебаниями определенной частоты. Основное поглощающее действие оказывает водяной пар, поскольку его содержание намного превышает содержание углекислого газа и озона. Прозрачность атмосферы для инфракрасных лучей сильно зависит от влажности атмосферы. Измерения показали, что сравнительно хорошей прозрачностью для инфракрасных волн атмосфера обладает на следующих диапазонах: 0,95-1,05; 1,2-1,3; 1,5-1,8; 2,1-2,4; 3,3-4,0; 8,0-11,0 мкм.
Для передачи на большие расстояния применяются закрытые оптические системы , в которых свет распространяется по стеклянным волокнам. К достоинствам волоконно-оптических систем связи (ВОЛС) можно отнести возможность передачи чрезвычайно больших объемов информации, не достижимых для других структур. Достигнуты скорости передачи цифровых сигналов в волоконно-оптических системах связи более 1 терабита в секунду!
Излучение и прием электромагнитных волн осуществляется при помощи антенн. Антенны характеризуются многими параметрами, главными из которых являются рабочие частоты, их ширина и направленные свойства излучения и приема. Более подробно об антенных системах мы поговорим на практических занятиях.
Направленные свойства или способность антенны принимать или передавать сигналы в заданном направлении зависят от соотношения между длиной волны и геометрическими размерами элементов антенн. Чем больше размеры антенны по сравнению с длиной волны электромагнитных колебаний, тем лучше направленные свойства антенны.
Одна из простых антенн - симметричный вибратор, который эффективно работает при условии, что его длина равна половине длины волны λ / 2. Для улучшения направленных свойств антенн применяются дополнительные структуры, образующие антенну под названием «волновой канал», получившую широкое распространение для приема телевизионных сигналов.
В диапазонах 9-12, в основном, применяются различные модификации параболических антенн.
Антенны оптических диапазонов представляют собой линзовые и зеркальные системы.
Радиолинии используют в тех случаях, когда возникают трудности прокладки проводных линий связи . Принципиальное отличие радиосистем передачи информации заключается в том, что условия распространения радиоволн в радиолинии нестационарны, т.е. подвержены непрерывным случайным изменениям, зависящим от времени и частоты. Однако передача с помощью радиоволн в некоторых случаях является единственным методом связи (например, связь с подвижными объектами). При этом применяются различные системы радиосвязи: радиорелейные прямой видимости и тропосферные, спутниковые, на декаметровых волнах, ионосферные и пр.
Типичный вид построения радиолинии (радиоканала) показан на рис. 2.7.
Рисунок 2.7 - Типичный вид радиолинии
Для обеспечения односторонней радиосвязи (рис.2. 8) в пункте, из которого ведется передача сигналов, размещают радиопередающее устройство, содержащее радиопередатчик РПер и передающую антенну А ПЕР, а в пункте, в котором ведется прием сигналов - радиоприемное устройство, содержащее приемную антенну А ПР и радиоприемник РПр. Антенны подключаются к приемопередающему оборудованию при помощи фидерных трактов Ф. Для двухстороннего обмена сигналами нужно иметь два комплекта такого оборудования. Двухсторонняя радиосвязь может быть симплексной или дуплексной. При симплексной радиосвязи передача и прием ведутся поочередно. Радиопередатчики в конечных пунктах в этом случае могут работать на одинаковой частоте, на эту же частоту настроены и радиоприемники. Радиопередатчик включается только на время передачи.
Рисунок 2.8 - Структура системы радиосвязи
При дуплексной радиосвязи передача осуществляется одновременно с приемом. Для такой связи должны быть выделены две разные частоты для передачи в разных направлениях. Радиопередатчики и радиоприемники абонентов включены в течение всего сеанса связи.
Проблеме распространения внутри зданий и помещений уделяется большое внимание. Это связано с возданием локальных информационных сетей, также обеспечение надёжной радиосвязью сотрудников предприятий с целью оперативного управления и обеспечения безопасности.
Наличие внутри зданий стен, перегородок, мебели, радиоэлектронной аппаратуры и других объектов создаёт сложную среду распространения радиоволн.
Основными эффектами, наблюдаемыми в такой среде являются:
Многолучевость, за счёт многократного переотражения от стен и других объектов;
Дифракция на острых кромках предметов внутри комнат;
Рассеяние радиоволн.
Эти эффекты создают сложную интерференционную структуру электромагнитного поля, которая сильно изменяется при перемещении людей и других объектов.
Модели, используемые для описания условий распространения радиоволн внутри зданий
Прием сигналов от удаленного внешнего источника внутри здания можно прогнозировать только в самых общих чертах. Помимо условий распространения радиоволн от передатчика к приемнику, определяемых высотой расположения пунктов, плотностью 1 характером застройки, на уровень сигнала существенным образом влияет конструкция здания и материал, а также положение приемника внутри здания. Учет вещ этих обстоятельств практически не возможен, так как внутри одного и того же помещения возможны такие расположения приемной аппаратуры, при которых прием может быть как хорошим, так и плохим, а иногда и совсем отсутствовать. Сложный интерференционный характер поля внутри помещения порождает резкие перепады в уровне принимаемого сигнала, превышающие зачастую 20 дБ, даже при небольшом перемещении приемника. Изменение частоты сигнала приводит к перераспределению полей, так что приемлемое ранее расположение аппаратуры может оказаться совершенно неудачным. Результаты измерений, приведенные в различных работах, трудно сопоставимы и могут казаться противоречивыми, если не учитывать крайнюю чувствительность пространственной интерференционной картины поля внутри помещения к изменению каких-либо условий передачи или приема сигнала.
Ослабление сигнала при прохождении внутрь зданий (сравнение уровня сигнала внутри здания с уровнем сигнала вне его на той же высоте) определялось Райсом на частотах 35 и 150 МГц. По оценкам "потери проникновения" составляют в среднем 22-24 дБ при среднеквадратическом отклонении 12-14 дБ. Отмечается также, что изменения, превышающие 20 дБ, иной раз наблюдаются при разнесении точек всего на несколько шагов. В целом же пространственные флуктуации сигнала в пределах одного этажа подчиняются логарифмически нормальному распределению. Наибольшее ослабление сигнала наблюдалось на первом этаже.
Измерения, выполненные Шеффердом в Вашингтоне на частотах 150, 450 и 900 МГц, указывают на почти линейную зависимость среднего уровня сигнала внутри здания от высоты расположения приемного пункта. Сравнивается средний уровень сигнала внутри здания последовательно на разных этажах с амплитудой сигнала на улице вблизи здания на высотах 1-1,5 м над поверхностью земли. На первом этаже сигнал внутри здания был ослаблен на 35 дБ на частоте 150 МГц. При поднятии приемного устройства внутри здания ослабление в среднем уменьшалось до 8 дБ на четырнадцатом этаже. На частотах 450 и 900 МГц соответствующие значения были близки и равнялись 28 дБ на первом и 0 дБ на четырнадцатом этажах.
Высотная зависимость ослабления внутри здания существенно зависит от высоты и плотности застройки. Измерения, выполненные Дьюрантом в Чикаго и Шаумбурге, где антенна базовой станции устанавливалась на высоте примерно 50 м над поверхностью земли на открытом месте (большей частью присутствовал прямой сигнал в точке приема на улице), подтвердили на частоте 900 МГц близкую к линейной высотную зависимость ослабления внутри здания (25 дБ на первом и 0 дБ на двенадцатом этажах) относительно уровня сигнала, зарегистрированного вблизи здания на улице. В то же время измерения в Манхеттене, где высота поднятия антенны была около 180 м (но в окрестности базовой станции в пределах полумили было много высотных зданий, создававших затенения в направлении на приемник, дают меньшее значение высотного градиента ослабления: 22 дБ на первом и 6 дБ на двадцатом этажах. Отмечается, что высота приемного пункта была еще недостаточна для выхода из тени, создаваемой окружающими зданиями. Здания в Манхеттене были 20- 80-этажные, в Чикаго - 8-16-этажные. "Потери проникновения" внутрь здания во всех случаях составляли от 10 до 30 дБ, но, как правило, на нижних этажах были больше (18-30 дБ). Распределение амплитуды сигнала было близким к логарифмически нормальному.
Эксперименты по определению затухания УКВ внутри зданий описаны также в книге . Для измерений выбирались здания с известным уровнем напряженности поля снаружи на уровне 1,5 м от земли. Измерения в помещениях с помощью приемника-анализатора позволили получить значительную выборку затуханий поля УКВ, проникающего в помещения здания, каждое значение которой определялось как
где - медианный уровень напряженности поля снаружи здания уровне 1,5 м от земли,- медианный уровень напряженности поля внутри помещений зданий на уровне 1 м от пола.
Статистическую
обработку выборок затуханий проводили
для каждого вида помещений (первых и
цокольных этажей, подвальных помещений)
отдельно по классической схеме: полученные
результатов по оценке затуханий для
каждого типа помещений зданий группировали
винтервалови
определяли их среднюю величину
,
число отсчетов в каждом 1-м интервале и
его относительную величину (частность). Далее определяли плотность частности.
На рис 4.12 представлены соответствующие гистограммы. Из приведенных графиков видно, что порядки величин "потерь проникновения" вполне соответствуют данным зарубежных авторов. Четко прослеживается также тенденция уменьшения относительного затухания при подъеме на более высокие этажи.
Во всех экспериментальных работах отмечается относительно слабая зависимость "потерь проникновения" от частоты сигнала для частот выше 30 МГц.
К настоящему времени нет удовлетворительных методов расчета среднего ослабления поля при проникновении его внутрь здания. Обращение к многослойным диэлектрическим структурам не порождает каких-либо надежд. Подгонка квадратичной формулы Введенского путем введения в нее эмпирических коэффициентов также не представляется перспективной, поскольку не может быть физически разумно истолкована.
Естественно предположить, что в среднем высотная зависимость поля внутри здания должна соответствовать высотной зависимости поля вне здания, отличаясь от нее на некоторый коэффициент. Это подтверждается качественным сопоставлением высотной зависимости в описанных работах с высотной зависимостью медианного значения напряженности поля в городе, установленной в общих чертах экспериментально.
1. Большинство моделей для расчёта радиотрасс внутри зданий основано на формуле распространения радиоволн в свободном пространстве
где - мощность передатчика;
Расстояние между передатчиком и приёмником
Однако, наличие стен, пола, предметов, людей и других объектов приводит к применению некоторых эмпирических моделей, основанных на многочисленных экспериментах.
Для таких трасс потери определяются выражением
где - расстояние между передатчиком и приёмником;
Расстояние прямой видимости;
Потери при распространении радиоволн на трассе прямой видимости длиной r 0 .
В некоторых моделях n – постоянная величина и является функцией расстояния между приёмником и передатчиком. Он показывает с какой скоростью возрастают потери передачи от расстояния:
В интервале расстояний
До r = 10 м n = 2,
10 м < r < 20 м n = 3,
20 м < r < 40 м n = 6,
R > 40 м n = 12.
Важно правильно выбрать подходящее расстояние r 0 для исследования условий распространения. В сотовой связи с большими зонами действия обычно используется расстояние 1 км, в микросотовых системах много меньше – 100 м. Это расстояние должно соответствовать дальней зоне антенны для исключения эффектов ближнего поля.
Увеличение значения n с ростом расстояния связано с увеличением числа стен, отделяющих приёмную и передающую антенны.
Показатель n зависит от конкретных параметров среды распространения. Значения n для различных сред приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
|
Таблица 3.2
|
Материал |
Коэффициент прохождения, % |
Коэффициент отражения, % | |||
|
Гипсовая панель (s=1см) | |||||
|
Фибролит (s=1,9см) | |||||
|
Бетонная плита (s=10см) |
2. Явление реверберации
Если передающая антенна расположена внутри комнаты, то независимо от её положения многократное отражение радиоволн от стен, пола, потолка, мебели и других объектов приводит к увеличению мощности принимаемого сигнала по сравнению со свободным пространством. Это напоминает явление реверберации, хорошо изученное в акустике.
Реверберация – остаточный звук, при выключенном источнике за счёт переотражений.
Формула расчёта основных потерь имеет вид:
,
где R– коэффициент реверберации (коэффициент отражения)
где S– площадь поглощающей поверхности;
–средний коэффициент поглощения поверхности.
Значение потерь сильно зависит от – коэффициента поглощения строительных материалов и покрытий (табл. 3.2).
Таблица 3.2
|
Материал |
Коэффициент прохождения, % |
Коэффициент отражения, % | ||||
|
Гипсовая панель (s=1см) | ||||||
|
Фибролит (s=1,9см) | ||||||
|
Бетонная плита (s=10см) |
В некоторых работах приведены результаты экспериментальных исследований электромагнитных свойств некоторых строительных конструкций (стен, перегородок и т.п.), а также свойства однородных строительных материалов – см. табл. в диапазонах волн 2 – 7 ГГц (табл. 1, 2).
При расчёте характеристик сигналов внутри зданий и помещений используются различные модификации лучевых методов, которые позволяют учитывать отражение радиоволн от стен, потолка, пола, местных предметов,дифракцию волн на дверях, окнах и другие явления, сопутствующие распространению радиоволн.
Таблица 1. Результаты измерений коэффициентов прохождения и отражения для различных материалов на двух частотах 2,3 ГГц и 5,25 ГГц.
|
Материал | |||||||
|
Оргстекло (7,1 мм) | |||||||
|
Оргстекло (2,5 мм) | |||||||
|
Жалюзи (закрытые) | |||||||
|
Жалюзи (открытые) | |||||||
|
Красный кирпич (сухой) | |||||||
|
Красный кирпич (влажный) | |||||||
|
Потолочное покрытие | |||||||
|
Стекловолокно | |||||||
|
Линолеум | |||||||
|
Хвойная доска | |||||||
|
Гипсовая плита | |||||||
|
Шлакоблок (сухой) | |||||||
|
Шлакоблок (влажный) | |||||||
Таблица 2.Относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс потерь при f = 2 – 7 ГГц
|
Материал |
Относительная диэлектрическая Проницаемость |
Тангенс угла потерь |
|
Оргстекло | ||
|
Жалюзи (закрытые) | ||
|
Жалюзи (открытые) | ||
|
Красный кирпич (сухой) | ||
|
Красный кирпич (влажный) | ||
|
Потолочное покрытие | ||
|
Стекловолокно | ||
|
Линолеум | ||
|
Хвойная доска | ||
|
Гипсовая плита | ||
Метод параболического уравнения (по расчёту радиотрасс пролегающих в сильнопересечённой местности)
Donohue D.I., Kutter I.R. Propagation modeling over terrain using the parabolic wave equation. IEEETrans.AntennasPropagat. 2000,vol. 42No.2,pp200 – 277.
Модели, позволяющие учесть дифракцию радиоволн на нескольких препятствиях – это модели Биллингтона, Эйнштейна – Петерсона и др.
Область пространства существенная при распространении радиоволн 1 Основы распространения радиоволн подвижной радиосвязи в свободном пространстве Система передачи информации состоит из трех основных частей: передающего устройства приемного устройства и промежуточного звена соединяющей линии. При распространении радиоволн по естественным трассам т. При распространении радиоволн в среде происходят изменение амплитуды поля волны изменение скорости и направления распространения поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов....
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
Распространение радиоволн в свободном пространстве
1 Основы распространения радиоволн подвижной радиосвязи в св о бодном пространстве
3 Радиолинии 1-ого и 2-ого рода
о странении радиоволн
1 Основы распространения радиоволн подвижной радиосвязи в свободном пространстве
Система передачи информации состоит из трех основных частей: передающего устройства, приемного устройства и промежуточного звена соединяющей линии. Промежуточным звеном является среда пространство, в котором распространяются радиоволны. При ра с пространении радиоволн по естественным трассам, т. е. в условиях, к о гда средой служит земная поверхность, атмосфера, космическое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практ и чески не поддается управлению.
При распространении радиоволн в среде происходят изменение амплитуды поля волны, изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых си г налов. В связи с этим, проектируя линии радиосвязи, необходимо:
- Рассчитать мощность передающего устройства или мощность си г нала на входе приемного устройства (определить энергетические параметры линий);
- Определить оптимальные рабочие волны при заданных условиях распространения;
- Определить истинную скорость и направление прихода сигналов;
- Учесть возможные искажения передаваемого сигнала и определить меры по их устранению.
Для решения этих задач необходимо знать электрические сво й ства земной поверхности и атмосферы, а также физические процессы, происходящие при распространении радиоволн. Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн:
- в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются;
- при падении на земную поверхность они отражаются;
- сферическая форма земной поверхности препятствует прямол и нейному распространению радиоволн.
Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли, называют земными радиоволнами (рис.1). Рассматривая распространение земных волн, атмосферу считают средой без потерь с относительной диэлектрической проницаемостью, равной единице. Влияние атмосферы учитывают отдельно, внося необх о димые поправки.
В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказ ы вающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не ре з ко и зависят от времени и географического места.
Тропосферой называется приземной слой атмосферы, простир а ющийся до высоты 7-18 км. В области тропосферы температура во з духа с высотой убывает. Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности. Ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий. В троп о сфере происходит искривление траектории земных радиоволн (1 на рис.1), называемое рефракцией. Распространение тропосферных р а диоволн (2 на рис.1) возможно из-за рассеяния и отражения их от н е однородностей тропосферы. Радиоволны миллиметрового и сантиметрового ди а пазонов в тропосфере поглощаются.
Стратосфера простирается от тропопаузы до высот 5060 км. Стр а тосфера отличается от тропосферы существенно меньшей плотностью воздуха и законом распределения температуры по высоте: до высоты 3035 км температура постоянна, а далее до высоты 60 км резко п о вышается. На распространение радиоволн стратосфера оказывает то же влияние, что и тропосфера, но оно проявляется в меньшей степени из-за малой плотности воздуха.
Ионосферой называется область атмосферы на высоте 60-10 000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов. Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. Радиоволны, распр о страняющиеся путем отражении от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами (3 на рис.1). На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и троп о сферы влияют мало.
Условия распространения радиоволн (4,5 на рис.1) при космич е ской радиосвязи обладают некоторыми специфическими особенностями, а на радиоволны 4 основное влияние оказывает атмосфера Зе м ли.
Рис. 1 Условия распространения радиоволн
Свойства канала подвижной связи зависят от множества факт о ров, в первую очередь от параметров используемых антенн, свойств физической среды, в которой распространяются радиоволны, особе н ностей электронных цепей, участвующих в передаче и приеме сигнала, а также от скоростей перемещения подвижных станций. Чтобы упр о стить рассмотрение свойств канала подвижной связи, целесообразно ввести основные термины, касающиеся антенн, и разобрать идеальный случай распространение сигнала в свободном пространстве.
В теории антенн рассматривается теоретический случай, когда антенна излучает сигнал мощностью (Ватт) одинаково во всех направлениях. Такая антенна называется изотропной . Это идеальное ус т ройство, которое практически невозможно реализовать. Однако оно служит эталоном для других типов антенн. Если вокруг изотропной а н тенны нарисовать сферу радиуса , то во всех точках поверхности этой сферы электромагнитное поле, индуцируемое антенной, будет один а ково. Реальные антенны фокусируют излучаемую энергию в определенных направлениях, поэтому на практике нормированная хара к теристика излучающей антенны описывается следующим выражением:
(1)
где напряженность поля в точке сферы с координатами, определяемыми углами φ и θ; максимальное значение напр я женности поля на поверхности сферы.
Изотропная антенна расположена в начале координат. Её норм и рованная характеристика представляет собой идеальную сферу рис. 2. Легко заметить, что нормированная характеристика не зависит от радиуса сферы.
Рис. 2. Нормированная характеристика изотропной антенны
Термин плотность [потока] энергии (ППЭ) тесно связан с норм и рованной характеристикой. Это энергия, излучаемая в заданном направлении в единицу телесного угла 1 . Обе характеристики антенны св я заны выражением:
, (2)
где максимальная ППЭ.
Суммарная мощность, излучаемая антенной, представляется в виде интеграла по телесному углу, т. е.
, (3)
, (4)
Излучаемая мощность может быть выражена в виде произвед е ния средней ППЭ и величины полного телесного угла, которая равна 4π. Средняя плотность излучения может быть интерпретирована как плотность потока энергии изотропной антенны, которая излучает ту же самую суммарную мощность , что и заданная антенна. Отношение плотности потока энергии к средней ППЭ называется коэффициентом направленного действия антенны. Его максимальное зн а чение называется направленностью антенны D и описывается выраж е нием
(5)
Термин направленность означает, что плотность излучения в направлении максимального излучения в раз больше, чем плотность излучения изотропной антенны той же суммарной мощности, что и данная антенна. В реальной антенне излучаемая мощность представляет собой только часть подаваемой на ее вход мощности. Часть мо щ ности рассеивается и преобразуется в тепло. Таким образом, антенна характеризуется энергетической эффективностью (или коэфф и циентом полезного действия):
. (6)
Для учета рассеяния мощности вводится термин коэффициент усиления антенны . Он определяется выражением
. (7)
Коэффициент усиления антенны обычно применяется при опр е делении эквивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ, англ. Effective Isotropic Radiated Power EIRP ), описываемой произвед е нием: .
Эквивалентная изотропная излучаемая мощность определяется как мощность, которую необходимо подать на изотропную антенну для того, чтобы получить в точке приема точно такое же поле, которое б у дет получено в ней при помощи антенны с коэффициентом усиления, на вход которой подана мощность. Геометрически это иллюстр и рует рис. 3.
Рис. 3 Геометрическое представление эквивалентной изотропной и з лучаемой мощности
В качестве другого типа эталонной антенны используется пол у волновой симметричный вибратор.
Если сравнить мощность сигнала от антенны с коэффициентом усиления с таковой от полуволнового вибратора, то можно опред е лить так называемую эквивалентную излучаемую мощность (ЭИМ, англ. Effective Radiated Power ).
Коэффициент усиления полуволнового вибратора относительно изотропной антенны равен 1,64, что соответствует 2,15 дБ. Поэтому э к вивалентная излучаемая мощность заданной антенны будет на 2,15 дБ меньше, чем ее эквивалентная изотропная излучаемая мощность.
В зависимости от принятого типа эталонной антенны, единицы измерения коэффициента усиления антенны обозначаются дБи для изотропной антенны или дБb для полуволнового вибратора.
На основании изложенного выше в большинстве случаев переход от коэффициента усиления антенны к коэффициенту направленности осуществляется достаточно просто путем увеличения первого пар а метра в 1,64 раза или на 2,15 дБ (по мощности ).
2. Формула идеальной радиопередачи
Свободное пространство можно рассматривать как однородную не поглощающую среду с. В действительности таких сред не с у ществует, однако выражения, описывающие условия распространения радиоволн в этом простейшем случае, являются фундаментальными. Распространение радиоволн в более сложных случаях характеризуется теми же выражениями с внесением в них множителей, учитывающих влияние конкретных условий распространения.
Для свободного пространства плотность энергии (Вт/м 2 ) на расстоянии (м) от точечного источника, излучающего радиоволны равномерно во всех направлениях, связана с мощностью, излучаемой этим источником (Вт) следующей зависимостью:
, (8)
где модуль вектора Пойнтинга. На практике антенна излучает эне р гию по разным направлениям неравномерно. Для учета степени неравномерности излучения вводят коэффициент направленного де й ствия антенны.
Коэффициент направленного действия антенны D показывает, во сколько раз изменяется плотность мощности на данном расстоянии от излучателя при направленном излучателе по сравнению с ненаправле н ным (изотропным) излучателем.
При использовании направленного излучателя происходит пр о странственное перераспределение мощности, в результате чего в некоторых направлениях плотность мощности повышается, а в других снижается по сравнению со случаем использования изотропного излучат е ля. Применение направленных антенн позволяет получить в D раз большую плотность мощности в точке приема или в D раз снизить мо щ ность передатчика.
Величина является функцией углов наблюдения: в горизо н тальной плоскости и в вертикальной (рис 2). Обычно антенна с о здает максимальное излучение лишь в некотором направлении, для которого приобретает максимальное значение. Зависимость величин от углов и называют диаграммой направленности антенны по мощности, а отношение - нормированной диаграммой направле н ности по мощности (рис.4).
Рис. 4. Диаграммы направленности антенны по мощности: 1 изотро п ного излучателя; 2 направленной антенны
Плотность мощности на расстоянии от направленной излуча ю щей антенны
. (9)
Амплитуда напряженности электрического поля радиоволны в свободном пространстве связана с плотностью энергии этой волны (через сопротивление свободного пространства)
, (10)
откуда определяется амплитудное значение напряженности электрич е ского поля в свободном пространстве (В/м) на заданном расст о янии (м) от излучателя:
(11)
Мощность на входе приемника, согласованного с антенной, находящейся на расстоянии от излучателя,
, (12)
где эффективная площадь приемной антенны, х а рактеризующая площадь фронта волны, из которой антенна извлекает энергию.
Мощность удобно определять непосредственно через мощность и величину излучающей антенны:
. (13)
Это выражение называется формулой идеальной радиопередачи .
Ослабление мощности при распространении радиоволн в св о бодном пространстве, определяемое как отношение, называют потерями передачи в свободном пространстве. При ненаправле н ных передающей и приемной антеннах это отношение (дБ) рассч и тывают по формуле:
, (14)
где мощность, Вт; расстояние, км; частота, МГц.
Применение направленных антенн эквивалентно увеличению и
з
лучаемой мощности в
раз.
3 Радиолинии 1-ого и 2-ого рода.
При расчете и проектировании радиолиний, особенно в диапаз о нах сантиметровых и дециметровых волн, необходимо знать мощность сигнала на входе приемника. Эта мощность определяется различно для радиолиний двух типов. На радиолинии I типа передача информации ведется непосредственно из пункта передачи в пункт приема (рис. 5).
Рис 5 Радиолиния I -го типа
На радиолиниях II типа принимаются сигналы, испытавшие па с сивную ретрансляцию на пути от передатчика к приемнику (рис. 6).
Рис. 6 Радиолиния II -го типа
На этих линиях непосредственная передача энергии волны от и с точника до точки приема по каким-либо причинам невозможна (напр и мер, этот путь перекрыт препятствием). На наземных радиолиниях с пассивной ретрансляцией на пути распространения имеется специал ь ное антенное устройство, которое облучается первичным полем и п е реизлучает его в виде вторичного поля, предназначенного для приема.
На любой радиолинии мощность на входе приемника связана с плотностью потока мощности в месте приема соотношением
, (15)
где 2 - КПД фидера приемной антенны; - действующая площадь приемной антенны.
На радиолинии I типа в условиях свободного пространства пло т ность потока мощности в месте приема
, (16)
где 1, r указаны на рис. 6.
Подставляя (16) в (15), получаем для радиолинии I типа мо щ ность на входе приемника в условиях свободного пространства:
. (16)
На радиолинии II типа значение зависит от тех же параме т ров, что и на линии I типа, и, кроме того, от переизлучающих свойств ретранслятора. Если какое-либо тело облучается полем, то его способность переизлучать это поле оценивается эффективной площадью рассеяния (ЭПР). Величина ЭПР зависит от формы, размеров, электр и ческих свойств материала, из которого выполнен переизлучатель, а также от его ориентации относительно направления распространения первичного поля и направления на прием.
Если около переизлучающего тела плотность потока мощности первичного поля, то переизлученная мощность:
, (17)
а плотность потока мощности вторичного поля вблизи приемной антенны в условиях свободного пространства
(18)
Согласно (15), (17), (18) мощность на входе приемника для радиолинии II типа
. (19)
В тех случаях, когда .
(20)
Из (16) и (20) видно, что в свободном пространстве при отсу т ствии пассивного ретранслятора на линии мощность на входе приемн и ка уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, а при работе с ретранслятором - обратно пропорционально четвертой степ е ни. Такое быстрое убывание поля на линиях II типа объясняется тем, что поле дважды испытывает расходимость: первичное поле - на пути от источника (передающей антенны) до ретранслятора и втори ч ное поле на пути от источника (ретранслятора) до пункта приема.
При проектировании систем удобно иметь сведения о потерях при передаче электромагнитной энергии. Потерями передачи наз ы вают отношение мощности , подводимой к передающей антенне, к мощности на входе приемной антенны:
, (21)
где - мощность на выходе передатчика; - мощность на входе пр и емника. Для радиолинии I типа в условиях свободного пространства согласно (16) и (21) потери передачи
. (22)
Расчеты упрощаются, если в (22) выделить составляющую , кот о рая характеризует потери, обусловленные расходимостью волны при. Составляющая называется основными потерями п е редачи в условиях свободного пространства:
. (23)
Полные потери передачи обычно выражают через . Так, вместо (22) можно записать
. (24)
Для радиолинии II типа в условиях свободного пространства при согласно (20) и (21) потери передачи
(25)
или с учетом (23)
(26)
4 Зоны Френеля. Область пространства, существенная при распр о странении радиоволн.
В теории распространения радиоволн, особенно при оценке вл и яния земли, важное значение имеет понятие «существенная о б ласть».
Областью, существенной при распространении радиоволн , наз ы вают часть пространства, в котором распространяется основная д о ля энергии.
Форму и размеры существенной области, возможно, установить и аналитически, используя принцип эквивалентности. Согласно этому принципу поле в точке приема определяется суммарным действием вторичных источников, распределенных по воображаемой поверхн о сти, замкнутой вокруг источника А или точки приема В.
Выберем поверхность, которая охватывает источник, и для упрощения расчетов составим ее из бесконечной плоскости, расположенной перпендикулярно линии АВ (рис. 7), и полусферы с бе с конечным радиусом, которая замыкает плоскость.
Поля от источников, расположенных на бесконечно удаленных участках поверхности , бесконечно малы вследствие расход и мости волны. Поэтому суммарное поле формируется источниками на поверхности , расположенными на конечном расстоянии от точки В. Для облегчения суммирования разделим плоскость на зоны Френ е ля.
Построим серию ломаных (рис. 8, а), пересекающих плоскость так, чтобы длина каждой последующей ломаной была больше длины предыдущей на половину длины волны:
. (27)
Семейство ломаных линий, удовлетворяющих условиям (1.20), при пересечении с плоскостью образует на этой плоскости систему окружностей с центром в точке (рис. 8, б). Участки плоскости, ограниченные окружностями, называют зонами Френеля на плоскости. Первая зона представляет собой круг, зоны высших номеров - кольц е вые области.
Рис. 7 Использование принципа эквивалентности
Суммарное поле от всех источников рассчитывается с учетом их распределения по зонам Френеля.
Рис. 8 Представление зоны Френеля
Амплитуда поля от элемента поверхности оценивается как , а фаза, где С - константа, завис я щая от свойств первичного источника. Результирующее поле:
, (28)
т.е. напряженность поля равна половине той величины, которая созд а ется источниками первой зоны Френеля.
При суммировании полей от источников только первой зоны напряженность поля возрастает до , где - поле в свободном пространстве. При дальнейшем сложении проявляется действие противофазных полей от источников второй зоны, и результирующая напр я женность поля уменьшается. Компенсирующее действие полей от источников четных зон Френеля обусловливает немонотонный закон пр и ближения величины к при.
Существенную область обычно ограничивают примерно восемью зонами Френеля. При таком приближении ошибка в вычислении поля не превышает 16%.
Внешний радиус n -й зоны Френеля ρ n согласно рис. 8, a ) и усл о вию (27), а также с учетом того, что на реальных линиях, определяется соотношением
. (29)
Максимальный радиус соответствует середине трассы, где.
. (30)
Максимальный радиус существенного эллипсоида, ограниченн о го восемью зонами Френеля,
. (31)
Чем короче волна, тем меньше поперечные размеры существе н ного эллипсоида. Например, на волнах при протяже н ности линии радиус. При этом большая ось существенного эллипсоида, соизмеримая с длиной радиолинии, в сотни и тысячи раз больше его малой оси, т.е. эллипс сильно вытянут вдоль трассы.
Понятие существенной области широко применяется при изуч е нии условий распространения на линиях, где электрические параметры тракта распространения неоднородны. Например, при распространении радиоволн над земной поверхностью ослабление поля зависит от ст е пени затенения существенной области поверхностью Земли. Если выс о ты антенн таковы, что часть существенной области затенена, то потери на линии значительно возрастают.
В заключение отметим, что существенная область имеет форму эллипсоида вращения только при использовании ненаправленных а н тенн в точках передачи и приема. Реально ее форма более сложная и зависит от ДН антенн.
Литература:
1 Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. М. Радио и связь. 1996. - 486с.
2. Печаткин А.В. Системы мобильной связи. Часть 1. Принципы организации и частотного планирования систем мобильной связи: учебное пособие. РГТУ. - Рыбинск, 2008.- 122с.
3. Яманов Д.Н. Основы электродинамики и распространение р а диоволн. Часть 1. Основы электродинамики: Тексты лекций. - М: МГТУ ГА, 2002. 80 с.
4. Яманов Д.Н. Основы электродинамики и распространение р а диоволн. Часть 2. Основы электродинамики. Тексты лекций.- М: МГТУ ГА, 2005. 100 с.
1 Телесный угол измеряется в стерадианах. Полный телесный угол равен 4π стерадиан.
Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм> |
|||
| 13015. | Распространение волн в диспергирующих средах | 112.27 KB | |
| Уравнение электромагнитного поля в среде с дисперсией. Частотная дисперсия диэлектрической проницаемости. Соотношение Крамерса – Кронига. Дисперсия при распространении электромагнитной волны в диэлектрике. Дисперсия в среде со свободными зарядами. Волны в средах с пространственной дисперсией | |||
| 13072. | Распространение волн в нелинейных диспергирующих средах | 89.27 KB | |
| Для среды без центра инверсии с квадратичной нелинейностью каждое из полей возбуждает квадратичные поляризации на удвоенной и нулевой частотах: то есть имеют место генерация второй гармоники и детектирование волны. Кроме того две электромагнитные волны с разными частотами... | |||
| 13048. | Распространение ограниченных волновых пучков, дифракция | 74.99 KB | |
| Метод Кирхгофа Метод Кирхгофа основан на интегральной теореме выражающей значения решения уравнения Гельмгольца в произвольной точке Мx y z через значения функции u и ее первой производной на поверхности S охватывающей точку М. Пусть uМ и GМ комплекснозначные функции координат точки М имеющие непрерывные первые и вторые частные производные как внутри объема V содержащего точку М так и на ограничивающей этот объем поверхности S. На поверхности S2 производная по внешней нормали совпадает с производной по радиусу сферы r = r r1 ... | |||
| 2162. | МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ ПРИЗНАКОВ | 56.83 KB | |
| Эти методы основаны на естественной гипотезе компактности в соответствии с которой точки отображающие одно и то же состояние диагноз группируются в одной области пространства признаков. Пространство признаков. Как уже указывалось каждая конкретная система объект может быть охарактеризована вектором х в многомерном пространстве признаков... | |||
| 13026. | Таксономическая группа слизевиков, их строение, химический состав, распространение в природе и значение | 1.33 MB | |
| Слизевики – одна из наиболее своеобразных и уникальных по своей природе групп организмов. Целый ряд присущих им свойств отражает ранние стадии эволюции эукариотов, что делает их изучение не просто увлекательным хобби, но и серьёзной научной задачей. Они широко распространены в природе и стали известны науке более двух веков назад. | |||
| 3643. | Принципы действия угол. закона в пространстве | 2.96 KB | |
| Это вопрос опредия территории на которой применяется УЗ. Лицо совершившее ПРе на территории РФ подлежит угол. Граждане РФ и постоянно проживающие в РФ лица без гражданства совершившие ПРе вне пределов РФ подлежат УО по УК если совершенное ими деяние признано ПРем в госве на территории которого оно было совершено и если эти лица не были осуждены в иностранном госве. При осуждении указанных лиц наказе не может превышать верхнего предела санкции предусмотренной законом иностранного госва на территории кго было совершено ПРе. | |||
| 3571. | Вестибулярные ощущения и их роль в ориентировке тела в пространстве | 10.58 KB | |
| Вестибулярные ощущения отражают изменение положения тела относительно плоскости Земли а также перемену ускорения. Статикодинамические ощущения вестибулярные ощущения равновесия это ощущения которые правильно ориентирует человека при наличии земного притяжения возникают в результате деятельности вестибулярного анализатора. Рецептор: вестибулярный аппарат волосковые клетки Функции: отражает информацию о состоянии тела в пространстве его позы его пассивных и активных движений равно как и движений отдельных частей тела... | |||
| 16255. | Экономические стратегии России на постсоветском пространстве: дискуссионные вопросы теории и практики | 15.27 KB | |
| В системе международных связей РФ отношения со странами СНГ считаются приоритетным направлением что зафиксировано в важнейших государственных документах - в Концепции внешней политики Российской Федерации до 2020 года 2008 и в Стратегии национальной безопасности РФ 2009. Декларированные приоритеты однако слабо подтверждаются итогами сотрудничества России со странами СНГ на практике. В структуре внешней торговли РФ роль европейского ЕС и азиатского векторов АТР растет а значение вектора СНГ все более... | |||
| 1171. | Лингвокультурологическая энциклопедия слова «товарищ». Русское слово в пространстве российской культуры | 5.72 MB | |
| Мир слов, окружающий нас, яркий, разнообразный, постоянно меняющийся. Нам сложно сейчас представить нашу жизнь без слова. Лев Успенский считает, что «всё, что люди совершают в мире действительно человеческого, совершается при помощи языка. Нельзя без него работать согласованно, совместно с другими | |||
| 3770. | 7.26 KB | ||
| При решении вопроса о системе таможенного права таможенного союза следует исходить из того что в формировании его содержания и систематизации норм решающая роль принадлежит государствам-участникам таможенного союза. | |||
