bigpo.ru
добавить свой файл
1 2 ... 4 5


ЛЕКЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН»


Предмет и задачи курса


В системах связи очень широко используется свободное распространение радиоволн. Свободное распространение радиоволн – это тот случай, когда отсутствует направляющая система, т.е. линией передачи является естественная среда.



Рис.1

Примеры:

1). На наземных линиях типа земля-земля такая среда включает в себя атмосферу и поверхностные слои Земли.

2). На линии Земля-Космос такая среда – атмосфера + космическое пространство.

Земная атмосфера и поверхностные слои Земли являются поглощающими электрически неоднородными средами. Их εа и σ не остаются постоянными как в пространстве, так и во времени, т.е.

εа =φ(x,y,z,t), σ = φ(x,y,z,t).

Кроме того, они изменяются в зависимости от частоты распространяющейся волны, т.е. εа и σ = φ(f).

^ 1. Первая задача курса – изучение электромагнитных свойств сред, в которых радиоволны свободно распространяются на линии земля-земля, земля-космос. Законы распространение радиоволн в разных участках атмосферы достаточно сложны и различны. На это влияют следующие факторы:

а) сферичность Земной поверхности, неоднородные полупроводниковые свойства, неровности рельефа – осложняют закономерности измерения поля при распространении вдоль границы раздела воздух-земля.

б) электрическая неоднородность земной атмосферы в вертикальном направлении приводит к значительному искривлению траекторий.

в) а множество путей распространения и случайные флуктуации электрических параметров атмосферы являются причиной искажений сигналов в тракте распространения и наличия флуктуаций их уровней.

^ 2. Второй задачей курса является изучение законов свободного распространения радиоволн вдоль реальной земной поверхности в реальной атмосфере.

Резко выраженная частотная зависимость законов распространения приводит к необходимости согласования с этими законами основных принципов построения линий связи и вещания с учетом выделенной рабочей частоты. Как показали исследования, одинаковые (постоянные) свойства распространения электромагнитных волн (ЭМВ) наблюдаются только в определенной полосе частот.

Примеры согласования основных принципов построения линий с условиями распространения могут служить наземные линии связи на сантиметровых и декаметровых волнах:

а) связь на большие расстояния на сантиметровых волнах



Рис.2

Прием-усиление-передача, т.е. ретрансляция. Расстояние между соседними станциями 40-70км. – прямая видимость.

Условия распространения таковы, что возможна передача широкополосной информации с полосой до нескольких десятков МГц.

б) на линиях связи на декаметровых волнах. Расстояние между передающими и приемными пунктами может достигать 10-15 тыс. км, но ширина полосы частот передаваемой информации не должна превышать единиц кГц.

^ 3. Третьей задачей курса является изучение особенностей распространения девяти частотных полос радиодиапазона и ознакомление с инженерными методами расчета условий распространения применительно к системам связи и вещания.

Таких полос частот в радиодиапазоне девять. Сведения об этих полосах в соответствии с Регламентом радиосвязи, принятым Международным Консультативным Комитетом по Радио (МККР) приведены в таблице.


Таблица 1.

№ полосы

Частота

Полоса частот

λ(м) в свободном пространстве

Метрическое подразделение волн

Поддиапазон волн

4

от 3 до 30кГц

Очень низкие (ОНЧ)

от 100000 до 10000

Мириаметровые

Сверхдлинные (СДВ)

5

от 30 до 300кГц

Низкие (НЧ)

от 10000 до 1000

Километровые

Длинные (ДВ)

6

от 300 до 3000кГц

Средние (СЧ)

от 1000 до 100

Гектометровые

Средние (СВ)

7

от 3 до 30МГц

Высокие (ВЧ)

от 100 до 10

Декаметровые

Короткие (КВ)

8

от 30 до 300МГц

Очень высокие (ОВЧ)

от 10 до 1

Метровые

Ультракороткие (УКВ)

9

от 300 до 3000МГц

Ультравысокие (УВЧ)

от 1 до 0,1

Дециметровые

10

от 3 до 30ГГц

Сверхвысокие (СВЧ)

от 0,1 до 0,01

Сантиметровые

11

от 30 до 300ГГц

Крайне высокие (КВЧ)

от 0,01 до 0,001

Миллиметровые

12

от 300 до 3000ГГц




от 0,001 до 0,0001

Децимиллиметровые


^ Механизмы распространения радиоволн


Общая задача о распространении радиоволн в реальной атмосфере вдоль реальной земной поверхности в любом участке радиодиапазона делится на несколько отдельных задач.

Каждая задача исследует свой механизм распространения, обусловленный некоторым частным свойством тракта распространения.

1.



Рис. 3

К первому регулярному механизму относится распространение радиоволн вдоль границы раздела воздух-земная поверхность. Этот механизм подчиняется законам дифракции. В этом случае волна называется земной (поверхностной)

2.



Рис. 4

Интенсивная плавная электрическая неоднородность верхних ионизирующих слоев атмосферы является причиной другого регулярного механизма распространения радиоволн с частотой до 30-40МГц путем последовательного многократного отражения от ионизированных слоев атмосферы и поверхности Земли. Волна, распространяющаяся по этому принципу, называется пространственной (ионосферной) волной.


3.



Рис. 5


Третий механизм распространения радиоволн обусловлен за счет слабых электрических неоднородностей локального характера, на которых происходит рассеяние радиоволн. Этот механизм рассеяния используют для передачи информации на частотах более 300МГц на наземных радиолиниях.

4.



Рис. 6



Связь с космическим объектом осуществляется за счет прямой волны, которая распространяется через атмосферу и космическое пространство по радиоканалу.

Устойчивая работа линии связи и системы вещания обеспечивается путем согласования их основных технических характеристик с условиями распространения. К таким характеристикам относятся: Рпрд, Рmin прм, вид передаваемой информации, σ, ориентировка ДН. ПРД и ПРМ. Условия распространения также учитываются в процессе эксплуатации линии связи. Если условия распространения меняются во времени, то перестраивается режим работы линии.


Распространение радиоволн в свободном пространстве


Энергетические соотношения в условиях свободного пространства


а) Ослабление поля

Свободное пространство – отсутствие атомов, молекул, зарядов, т.е. вакуум: εro=1, μro=1, σo=0.

В реальных природных условиях такой среды не существует. Однако исследование условий распространения в свободном пространстве оказывается необходимым, поскольку позволяет выявить закономерности изменения напряженности поля, связанные с его пространственной структурой.

Структура поля задается условиями излучения, т.е. источником излучения.

Все антенны излучают сферические волны. Наблюдается сферическая расходимость – это приводит к падению плотности потока мощности по мере удаления от источника.

На практике очень часто это явление определяет требования к энергетическим показателям аппаратуры.




Рис. 7

Возьмем антенну А – изотропный излучатель. Вокруг источника А проведем воображаемую сферу радиусом r. К источнику подведена мощность P'1 и она равномерно распределена по поверхности сферы площадью 4πr2. Тогда средняя за период плотность потока мощности (мощность, приходящаяся на единицу площади):

По ср= P'1/4πr2.

По ср= Ео д·Но д, где Ео д и Но д – действующие значения.

Учитывая, что в условиях свободного пространства

Ео д = 120πНо д,

находим связь между мощностью и напряженностью ЭМП:

, ,



Амплитудное значение:



На практике ненаправленных излучателей нет. Поэтому необходимо ввести коэффициент усиления G антенны, который характеризует степень концентрации ЭМ энергии в данном направлении:

G = E2напр2ненапр, при условии, что подводимые мощности к обеим антеннам одинаковы.

P'1G1 = P (2)

где Р'1 - мощность, подведенная к направленной антенне;

P - эквивалентная мощность излучения (она подведена к ненаправленному излучателю).

Подставив (2) в (1) и (1'), получим:



Мгновенное значение:



где k=ω/co= 2π/λ – коэффициент фазы (волновое число).



Сравнивая (1) и (3), можно сказать, что замена ненаправленного излучателя на направленный позволяет в точке приема увеличить напряженность поля в раз без увеличения подводимой мощности.

КУ = f(D и λ) – функция длины волны и размеров антенны.

В сантиметровом диапазоне коэффициент усиления может достигать тысяч или десятков тысяч, а в длинноволновой части радиодиапазона не превышать единиц.

б) Мощность на входе приемника

Существуют радиолинии двух типов, для которых при одинаковых параметрах ПРМ и ПРД, оборудование – мощность на входе приемника оказывается разной.

^ Радиолиния 1 типа (пассивная радиолокация)



Рис. 8



^ Радиолиния 2 типа (пассивная ретрансляция)



Рис. 9

Мощность на выходе приемника Р2 = П2 SД η2 (4)

где η2 – КПД фидера приемной антенны,

SД = G2 λ2/(4π) – действующая площадь приемной антенны.

а) для симметричного λ/r вибратора SД = 2,09l2, где l= λ/4 – длина плеча.

б) для поверхности антенн SД =(0,6-0,8)S. S – геометрический размер.

На радиолинии 1-го типа плотность потока мощности в месте приема:

П0 2 = P1η1G1/(4πr2) (5)

где P1η1G1 – указан на рисунке, P1η1 = Р'1.

Подставив (5) в (4), получим:

PI02 = P1η1G1 G2 λ2 η2 /(4πr)2 (6)

где PI02 – мощность на входе приемника в условиях свободного пространства.

На радиолинии 2-го типа значение П02 зависит от тех же параметров, что и на линии 1-го типа, и, кроме того, от переизлучающих свойств ретранслятора.

Способность переизлучать оценивается эффективной площадью рассеяния σэфф (ЭПР).

Величина ЭПР зависит от:

а) формы;

б) ЭМ параметров вещества;

в) ориентации относительно направления распространения первичного поля и направлении на прием.

Если около переизлучающего тела плотность потока мощности первичного поля

П0 П = P1η1G1/(4πr21) (7)

то переизлученная мощность:

Р0 П = П0 П σэфф (8)

а плотность потока мощности поля вблизи приемной антенны:

П0 2 = Р0 П /(4πr22) (9)

PII02 = П0 2 Sэфф 2, Sэфф 2 = G2 λ2 /(4π).

Мощность на входе приемника для радиолинии II типа:

(10)

Если r1=r2, тело расположено в середине трассы, то:

(11)

(11) – уравнение радиолокации.

Анализируя (6) и (11), можно сделать вывод: для радиолиний I-го типа мощность на входе приемника уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния; для радиолиний II-го типа – обратно пропорционально четвертой степени.

При проектировании систем удобно иметь сведения о потерях при передаче ЭМЭ.

Потерями передачи L называют отношение мощности, подводимой к передающей антенне Р’1, к мощности на выходе приемной антенны Р’2:

L= Р’1/ Р’2=P1η1η2/P2 (12)

Р1 – мощность на выходе передатчика, Р2 – на входе приемника.

Мощность на входе приемника для радиолинии II типа:

(10)

Если r1=r2, тело расположено в середине трассы, то:

(11)

(11) – уравнение радиолокации.

Анализируя (6) и (11), можно сделать вывод: для радиолиний I-го типа мощность на входе приемника уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния; для радиолиний II-го типа – обратно пропорционально четвертой степени.

При проектировании систем удобно иметь сведения о потерях при передаче ЭМЭ.

Потерями передачи L называют отношение мощности, подводимой к передающей антенне Р’1, к мощности на выходе приемной антенны Р’2:

L= Р’1/ Р’2=P1η1η2/P2 (12)

Р1 – мощность на выходе передатчика, Р2 – на входе приемника.

Радиолиния 1-го типа в условиях свободного пространства:


L0I = (4πr)2/(G1G2λ2) (13)


Ρ'02 = (P1G1η1G2η2λ2)/(4πr)2


L =(P1η1η2)/(P2)


P'02(4πr)22P1G1η1G2η2


P1η1η2/P'02=(4πr)2/(G1G2λ2)


Выделим составляющую L0, которая характеризует потери, обусловленные сферической расходимостью фронта волны при G1=G2=1.

L0 – называется «основными потерями передачи» в условиях свободного пространства:


L0=(4πr)2/(λ2) (14)


L0I=L0/G1G2 – полные потери передачи. (15)


Для радиолиний 2 типа в свободном пространстве:

L02 =(4π)324/(λ2) * 1/G1G2σэфф ; (16)

Выразим L02 через L0 ,для этого умножим и поделим (16) на 4π/λ2

L02 = L20/(G1G2σэфф) * 4π/(λ2) ;

В случае реальных сред потери выраженной через множитель ослабления V, характеризует потери, обусловленные свойствами данной среды:

L1= L01/V2 = L0/(G1G2V2) или в дБ L1 = L0 – 10LgG1 – 10LgG2 – 20LgV,

где Lдоп - 20LgV – дополнительные потери, обусловленные потерями в среде

Для радиолиний 2 типа:

L2 = L02/V4 = L20/(G1G2σэффV4) * λ2/(4π)


^ Область пространства, существенно участвующая в формировании поля на заданной линии.


Зоны Френеля


Методы волновой теории поля позволяют выделить из всего пространства ту область, которая наиболее существенно влияет на формирование поля в точке приема на заданной линии.

Первым шагом для выделения этой области является разделение пространства на зоны Френел





Построим серию ломаных линий АСnВ, пересекающих эту плоскость.




Семейство отрезков АСn() очерчивают в пространстве коническую поверхность, линия пересечения которой с плоскостью S является окружностью с. центром в точке О.

Первая зона представляет собой круг, зоны высших порядков – кольцевые области. Радиус первой зоны Френеля ρ1 на плоскости S с учетом того, что на реальных линиях определяется из соотношений:



откуда

Аналогично внешний радиус n-й зоны:



Площади всех зон одинаковы и равны:



Условия распространения вдоль всей трассы можно оценить характеристиками поля в зонах Френеля на одной плоскости S, только в случке распространения в однородной среде.

В неоднородной среде для этих же целей необходимо исследовать свойства поля в пределах целой области пространство разделенной вдоль трассы, разделив эту область на пространственные зоны Френеля

Для построения границ пространственных зон следует перемещать плоскость S между точками А и В вдоль линии АВ

Для любого ёе положения справедливо равенство.



- это уравнение эллипса с фокусами в т. А и В и описывает границу n-ой зоны Френеля в плоскости распространение волны.

Граница n-ой зоны очерчивается вращением этого эллипса вокруг линии АВ.

Первая пространственная зона представляет эллипсоид вращения, а зоны высших номеров – пространства между двумя соседними эллипсоидами.


Эллипсоид, существенный для распространения.


Для выделения из всего пространства той его области, которая существенна для распространения волн от точки А к точке В, необходимо произвести расчет поля с помощью принципа Гюйгенса-Кирхгофа, разделив пространства на зоны Френеля.


^ Принципа Гюйгенса – Кирхгофа

Кирхгоф предложил в точке приёма всё поля суммировать на воображаемой замкнутой поверхности.




S0 – бесконечные поверхность;

S - поверхность с ∞ радиусом охватывает т.А.

Вклад источников расположенных на ∞ расчет S0+S очень мал.

И поле формируется источниками, расположенными на поверхности S0, расположенными на конечном расстоянии от т. приема. Суммарное действие источников элемента поверхности ∆S оценивается элементарной составляющей поля с амплитудой: ∆Е=С*∆Scosγ/rn'rn"

и фазой , С – константа, зависящая от свойств первичного источника.

Суммарное поля от всех источников рассчитывается по закону Френеля на плоскости S0.

Расчеты показывают, что результирующие векторы отдельных зон коллинеарны, при этом векторы соседних зон и направляют в противоположные зоны из–за того, что у них длины путей отличаются на λ/2

т.к. , а cosγ ↓c ↑n.

Результирующее поле:



Для выявления количественных соотношений запишем ряд в виде:

Emax=E1max /2 + (E1max /2 – E2max + E3max /2) + (E3max /2 – E4max + E5max /2) + +E5max /2 – E6max + E7max /2),

тогда получим: Emax ≈ E1max /2, т. е. апряженность поля равна половине той величины, которая создается источниками первой зоны. Другая половина и поля источников высших зон взаимнокомпенсируются.



Е0 – напряжения поля в свободном пространстве.

Е → Е0 при n → ∞

Максимальное поле при ограничении области распределения радиусом нечетной зоны Френеля, минимальной четности.

В результате суммирование поля вторичного приёма создаётся в основном вторичным источниками первых зон Френеля, что и приводит к понятию существенной области распределения. Существенная область ограничивают примерно восьмью пространственными зонами Френеля, называя её существенным эллипсоидом. Ошибка не превышает 16%.

Максимальный радиус существенного эллипса соответствует середине трассы, где r0 = r0 = r/2



В расчетах часто пользуются

Чем короче λ, тем < поперечные размеры существенного эллипсоида.

Понятие существенной зоны широко применяется при изучении условий распространения на линиях, где электрические параметры тракта распространения неодинаковы.

Одной из типичных задач является исследование условий распространения земной волны над землей при разных высотах поднятия над Землей антенны на ПРД и ПРМ концах. Например, на линии протяженностью 40км при λ=10см ρ1max=32м. Ослабление будет зависеть от степени затенения существенный области земной поверхностью. Если высоты антенн таковы, что часть существенной области затенена поверхностью Земли, то потери на линии значительно возрастут.
Другой существенной задачей является исследование влияние локальных неоднородностей атмосферы на условия распространения. Влияние неоднородностей зависит от соотношения их размеров и радиуса существенной зоны.


Распространения радиоволн вдоль гладкой земной сферической поверхности.


Электрические свойства земной поверхности.


Эти свойства оцениваются μrзм , εrзм , σrзм.

Считать, что все виды земной поверхности немагнитные и μrзм = 1.

Изменения только εrзм и σrзм

Установлено, что основным механизмом изменения электрических свойств является способность поглощения влаги Землей.

Сказать о морской воде, ее проводимости.

В таблице приведены ориентировочные значения σrзм и εrзм для типичных видов земных покровов и волн длиннее 1м.


Вид земного покрова

εrзм

σrзм см/м

Морская вода

Пресная вода рек и озер

Влажная почва

Сухая почва

Мёрзлая почва

Снег (t = -60°C)

Лёд(t = -60°C)


80

80

10-30

3-6

3-6

1

4-5

1-6

10-3÷10-2

3*10-3÷3*10-2

1*10-5÷5*10-3

10-3÷110-2

10-6

10-2÷10-1



Величины εrзм , σrзм не дают полной характеристики условий распределении радиоволны в земле и вдоль её поверхности.

Среды делятся на проводники и диэлектрики не по значениям εrзм и σrзм, а по соотношению плотности токов смещения Jcм и проводимости Jпр



Согласно первому уравнению Максвелла:



εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость земли.

ω – круговая частота поля = 2πf.

Принято: если , то влияние тока проводимости мало и почти можно считать диэлектричной.

если - то почва проводника.


Электрические свойства земли оцениваются относительной комплексной диэлектрической проницаемостью:



Расчеты показывают, что для СМ и ДМ поддиапазонов все виды земной поверхности можно считать диэлектриками.

Исключение составляет морская вода для дм волны, когда Jcм = Jпр.

Для волны λ>200м поверхность Земли по своим свойствам близка к проводнику.

Условия распространения земной волны зависит от глубины проникновения в землю, поскольку электрические параметры Земли неоднородны по глубине.

Глубина проникновения – это расстояние, на котором в ℓ раз уменьшается амплитуда поля.


f

МГц

λ

м

^ ГЛУБИНА ПРОНИКНОВЕНИЯ

морская вода

εrзм=80, σзм=1

влажная почва

εrзм =10, σзм=10-2

сухая почва

εrзм =5, σзм=10-3

0,1

3

10

3000

100

30

0,8

0,14

0,08

15

5

2

59

17

9
Из таблицы видно, что связь, как в морской воде, так и в земной поверхности невозможна.



При решении задач распространения радиоволн вдоль границы воздух-земля существенное значение имеет величина εrзм.

(1)

Обычно εrзм ≈ 10 и равна 2...5 для сухого песка см λ

При выполнении неравенства (1) решение задачи о распространении радиоволн вдоль земли можно вести с заменой точных граничных условий приближенными граничными условиями Леонтовича-Щукина.

Сущность их состоит в том, что

, где – и - тангенсальные составляющие поля в воздухе, , т.к. для земли μазм = μ0, то:

, т.е. - приближенное граничное условие для земли.

Они упрощают решение задачи о распространение радиоволн, решая уравнения Максвелла только для воздуха.

Способность земной поверхности отражать радиоволны также связана с .

Коэффициент отражения:



При параллельной поляризации поля относительно плоскости падения или вертикальной относительно поверхности падения







1




Характер изменения модуля и аргумента коэффициента отражения



следующая страница >>