Распространение радиоволн (4) - Реферат

3.2.1. Основные свойства радиоволн

Радиоволны представляют собой переменные связанные электрические и магнитные поля. Электромагнитное поле описывается уравнениями Максвелла, который обосновал гипотезу о том, что переменное электрическое поле возбуждает в окружающем пространстве переменное магнитное поле и наоборот. Основные свойства электромагнитного поля:

1. В однородном пространстве радиоволны распространяются прямолинейно, скорость распространения волн в воздушном пространстве равна 300.000 км\с.

2. Распространение волн в проводящей среде (земле, воде, ионизированном газе) сопровождается поглощением энергии.

3. Если волны от одного и того же источника приходят в точку приема разными путями, происходит сложение этих волн - интерференция.

4. При встрече с препятствиями волны способны огибать их - это явление называется дифракцией. Дифракция уменьшается с уменьшением длины волны.

Вблизи земной поверхности радиоволны распространяются не так, как в свободном пространстве, так как среда (земная поверхность - атмосфера) является неоднородной.

Верхняя область атмосферы, содержащая свободные носители электрических зарядов, возникающие за счет влияния солнца, называется ионосферой. Электрические свойства ионосферы характеризуются концентрацией свободных зарядов - числом ионов и электронов в единице объема (1 куб.метре). Концентрация зарядов зависит от времени года (летом больше, чем зимой) и времени суток (днем больше, чем ночью). При возрастании солнечной активности и космического излучения возникают резкие изменения ионизации (магнитные бури).

Концентрация ионов и электронов в ионосфере на разных высотах различна, можно выделить несколько слоев с повышенной концентрацией ионов:

нижний слой D на высоте 60...90 км с концентрацией до 10 9 /м 3 . Слой D образуется в дневное время, ночью слой D исчезает;

слой Е на высоте 120…150 км с концентрацией до 10 11 /м 3 днеми до 10 10 / м 3 ночью;

слой F на высоте 180...400 км с концентрацией до10 12 /м 3 днем и до 10 11 /м 3 ночью.

При распространении радиоволн между земной поверхностью и ионосферой происходит потеря их энергии из-за взаимодействия электромагнитного поля со свободными носителями зарядов. Потери энергии радиоволны зависят от длины волны (частоты).

При распространении радиоволн необходимо отдельно рассматривать радиоволны, распространяющиеся вдоль земной поверхности (поверхностные или земные) и радиоволны, попадающие в ионосферу и отражающиеся от нее (пространственные или ионосферные).

Потери земных волн за счет частичного проникновения в землю тем больше, чем меньше длина волны, т.е. чем больше частота.

Потери пространственных волн тем больше, чем больше длина волны, т.е. чем меньше частота.

При попадании в слои ионосферы радиоволны отражаются от них или преломляются, причем возможность отражения зависит от степени ионизации ионосферы, частоты и угла падения волны. Максимальная частота, которая может отразиться от ионизированного слоя при вертикальном падении на его границу, называется критической частотой и определяется выражением fкр =9ÖN, где N - концентрация свободных зарядов.

3.2.2. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов

В зависимости от условий распространения радиоволны делятся на диапазоны:

__________________________________________________________________

диапазон длина волны частота

________________________________________________________________________________

сверхдлинные (СДВ) >10000 м <30 кГц ОНЧ (VLF)

длинные (ДВ) 10000...1000 м 30...300 кГц НЧ (LF)

средние (СВ) 1000...100 м 300...3000 кГц СЧ (MF)

короткие (КВ) 100...10 м 3...30 МГц ВЧ (HF)

ультракороткие (УКВ) <10 м >30 МГц

метровые 10...1 м 30...300 МГц ОВЧ (VHF)

дециметровые 100...10 см 300...3000 МГц УВЧ (UHF)

сантиметровые 10...1 см 3...30 ГГц СВЧ (SHF)

миллиметровые 10...1 мм 30...300 ГГц КВЧ (EHF)

Распространение радиоволн

Радиоволны, излучаемые различными передатчиками, распространяются в окружающем передающую антенну пространстве прямолинейно и независимо от других электромагнитных колебаний. Но это правило справедливо только для случая распространения волны в идеальном диэлектрике и при отсутствии каких-либо препятствий.

На распространение радиоволн в околоземном пространстве существенное влияние оказывает земная поверхность и свойства земной атмосферы. Земная поверхность не является плоской и не обладает идеальной проводимостью. Различные неровности на поверхности земли (горы, строения) рассеивают и поглощают электромагнитные колебания, причём степень воздействия зависит от длины волны.

Земная атмосфера также неоднородна и свойства её сильно зависят от высоты над поверхностью Земли. Земная атмосфера простирается до высоты свыше тысячи километров, не имея резкой верхней границы. Слой атмосферы, расположенный непосредственно у поверхности Земли называется тропосферой . Свойства и состояние тропосферы характеризуется тремя параметрами: давлением воздуха, его температурой и влажностью. С изменением давления, влажности и температуры изменяется и показатель преломления слоёв тропосферы. Нормально этот показатель медленно уменьшается при подъёме. На высотах от 60 км и выше газы, входящие в состав атмосферы, под действием ультрафиолетовых и рентгеновских лучей солнечного спектра ионизируются . Поэтому слои атмосферы, лежащие на высотах от 60 км до 400 км над поверхностью Земли, называется ионосферой . Степень ионизации на разных высотах различна и неоднородна (Рис. 4).

Наиболее низкая ионизированная область – слой D – располагается на высотах от 60 км до 90 км. Он образуется в дневные часы под действием солнечных лучей и в ночные часы исчезает.

Рис. 4. Строение ионосферы Земли.

Следующая ионизированная область – слой Е – имеет максимум на высоте 120 км. Концентрация электронов в слое Е сильно зависит как от времени суток, так и от времени года. В летнее время концентрация электронов выше, чем зимой. На высотах 80 – 100 км наблюдаются сильные неоднородности ионизации.

Верхняя область ионосферы (от 180 до 400 км) называется слоем F . В дневные часы летних месяцев эта область распадается на два слоя F1 (180 – 240 км) и F2 (300 – 400 км). В остальное время суток и года остаётся только слой F2.

Закономерный ход электронной концентрации в слоях ионосферы нарушается в результате вспышек солнечной активности. Наиболее сильны такие изменения в слоях D и Е.

Каждый слой ионосферы имеет неравномерную концентрацию электронов. Эта концентрация с высотой постепенно возрастает, достигает максимума и постепенно уменьшается. Можно представить приближенно, что слой ионосферы (например, слой F), в свою очередь, имеет слоистую структуру. В результате такой структуры ионосферы, радиоволны преломляются и при определённых условиях могут возвращаться вновь на Землю (Рис. 5). Радиоволны, возвращающиеся к Земле после отражения в ионосфере, называют пространственными волнами.

Рис. 5. Влияние ионосферы на распространение радиоволн.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости к земной поверхности и частично огибающие выпуклость земного шара благодаря дифракции, называются поверхностными (земными) волнами.

Разделение радиоволн на длинные, короткие и ультракороткие в значительной степени определяется особенностями их распространения (Рис. 7).

К сверхдлинным волнам относятся волны больше 10000м, а к длинным – от 10000 до 1000м.

Вода океанов и морей и даже влажная почва являются для этих волн почти проводником, т.е. также отражают их при любом угле падения. Этот процесс похож на распространение волн в гигантском волноводе (или коаксиальной системе), стенками которого служат ионосфера и земная поверхность (рис. 6). Именно такой «волноводный» характер распространения (а не простое явление дифракции) позволяет объяснить возможность длинноволновой связи на любые земные расстояния вплоть до антипода (около 20000км).

Рис. 6. Распространение длинных волн.

Выгодным свойством длинноволновой связи и радиовещания на длинных волнах является сравнительное постоянство напряженности поля в пункте приема в течение суток, года и 11-летнего периода солнечной активности.

Основным недостатком длинноволнового диапазона следует считать его малую частотную вместимость (общее число килогерц). Характерны также большие размеры антенных сооружений, соизмеримые с длиной волны. Кроме того, на длинных волнах очень сильны помехи радиоприему, создаваемые разрядами атмосферного электричества.

К средневолновому диапазону относятся волны от 1000 до 100м. На средних волнах работает много радиовещательных станций и связных станций торгового флота разных стран. Если для длинных волн характерным было «волноводное» распространение между земной поверхностью и слоем E, то для вертикального отражения средних волн концентрация электронов слоя E не всегда достаточна, а концентрация слоя D вовсе недостаточна.

По сравнению с длинными волнами, средние волны проникают в ионизированный слой до своего отражения гораздо глубже. Они сильно поглощаются в дневном слое Е, а также в слое D, сквозь который проходят дважды. Ночью, отражаясь от слоя Е только при наклонном падении (т.е. проникая в него не столь глубоко) и не встречая на пути распространения слой D, средние волны претерпевают гораздо меньшие потери.

Всем сказанным объясняется следующая особенность средних волн: в дневные часы они являются только поверхностными (земными), а ночью на более значительных удалениях от передатчика можно принимать и пространственные (ионосферные) волны.

Ввиду того что участие ионосферы в распространении средних волн носит перемежающийся характер, это распространение имеет ряд особенностей. Первой из этих особенностей следует считать замирания (резкие уменьшения) силы приема. Если днем в пункт приема доходили земные (и только земные волны), то ночью туда же могут попадать и волны, отраженные ионосферой. Тогда поле в пункте приема становится результатом интерференции земных и ионосферных волн и окажется усиленным при синфазности или ослабленным при противофазности этих волн.

Второй особенностью распространения средних волн нужно считать колебания силыприёма в течение суток. На близких расстояниях, где основным оказывается поле земных волн, сила приёма практически не меняется в течение суток. На средних расстояниях, куда земные волны доходят с ослаблением, днём слышимость может быть слабой, а ночью, когда главенствующим окажется поле пространственных волн, слышимость возрастает, сопровождаясь замираниями. На больших же расстояниях, куда земные волны практически не доходят, слышимость может появ­ляться лишь в ночное время за счёт ионосферных волн.

Условия связи на средних волнах изменяются и в течение го­да из-за того, что в летние месяцы возрастает уровень атмосфер­ных помех. Влияние же 11-летнего периода солнечной активности и воздействие ионосферных возмущений на средних волнах незначительно.

Короткими называют волны от 100 до 10м(частоты от 3*10 6 до 30*10 6 Гц). Эти волны, как и средние, могут распространяться и поверхностными, и пространственными лучами.

Поглощение энергии радиоволн в земной поверхности возрастает с увеличением частоты, а потому короткие волны распространяются вдоль земли на сравнительно небольшие расстояния: при мощностях излучения в десятки и даже сотни ватт лишь на десятки километров, особенно если речь идёт о волнах верхней половины коротковолнового диапазона (50-10м).

На коротких волнах основным способом передачи сигналов является однократное или даже многократное отражение от ионосферы. Таким способом осуществляются эко­номичные дальние связи и дальнее радиовещание. В нормаль­ных условиях распространения пространственных коротких волн отражающим служит слой F 2 а лежащие ниже него слои Е и D оказываются поглощающими, т. е. вредными.

Днём для дальних связей применяются наиболее короткие волны этого диапазона (примерно от 10 до 25м); они при малом угле возвышения способны отразиться от слоя F 2 . Конечно, более длинные волны и подавно стали бы отражаться, но при высокой концентрации электронов в слоях Е и D потери в этих слоях днем были бы слишком большими и потребовалось бы невыгодное увеличение мощности передатчика. Ночью для дальних связей используется нижняя часть коротковолнового диапазона (при­близительно от 35 до 100 м), так как при уменьшенной концентра­ции электронов в слое F 2 более короткие волны прошли бы сквозь ионосферу даже при малом угле возвышения. Потери в расположенных ниже слоях не столь опасны, ибо слой D ночью исчезает, а ионизация слоя Е сильно уменьшается.

Волны, занимающие участок между «дневными» и «ночными» (приблизительно от 25 до 35 м), успешно применяются для связи в часы полуосвещённости. Следует, конечно, помнить, что точное разграничение этих трёх участков коротковолнового диапазона невозможно, так как их границы зависят от сезона и от фазы 11-летнего периода солнечной активности.

При приёме пространственных коротких волн наблюдаются беспорядочно возникающие изменения напряжённости электри­ческого поля, с которыми связаны замирания и возрастания силы приёма. Замирания здесь бывают глубже и следуют друг за дру­гом чаще, чем на средних волнах.

На коротких волнах замирание обычно является ре­зультатом интерференции нескольких лучей, отражённых от ионо­сферы.

Основные пути борьбы с вредным действием замираний - автоматическая регулировка усиления и приём на разнесённые ан­тенны (а иногда и на антенны с взаимно перпендикулярной поля­ризацией).

На корот­ких волнах при удалении приёмника от передатчика часто наблюдается сначала уменьшение слышимости вплоть до полного её прекращения, а затем при большем удалении восстанавливается нормальный приём сигналов. Следовательно, между двумя зонами слыши­мости существует зона молчания.

Диапазон, ограниченный частотами 30 МГц ( = 10 м) и 30000 МГц ( см), называется диапазоном ультракоротких волн, (УКВ). В свою очередь, этот диапазон делится на волны метровые (К от 10 м до 1 м), дециметровые (К от 1 м, до 10 см) и сантиметровые ( от 10 см до 1 см). Волны короче 1см назы­ваются миллиметровыми и субмиллиметровыми волнами.

Связь и радиовещание на ультракоротких волнах имеют очень важные преимущества по сравнению с длинноволновой и корот­коволновой связью и радиовещанием. Передачи телевидения во­обще возможны лишь на УКВ.

Первое преимущество - возможность передачи значительно более широкого спектра частот сигнала (например, много радио­телефонных каналов или же телевизионный канал)

Второе преимущество ультракоротких волн - высокая направленность действия антенн в сторону корреспондента.

Ещё одним достоинством связи на УКВ, обеспечиваемым в полной мере при наличии прямой (геометрической) видимости между антеннами корреспондирующих станций, следует считать её устойчивость, т. е. постоянство уровня сигнала в приёмнике вне зависимости от часов суток, времени года и других внешних причин.

Требование прямой видимости между антеннами УКВ радиостанций, которое в течение десятилетий ограничивало примене­ние этого диапазона, вытекает из прямолинейности распростра­нения основного потока энергии этих волн.

Рис. 7. Особенность распространения

радиоволн различных диапазонов.

Лишь в пятидесятых годах стала возможна непосредственная дальняя связь на УКВ. Такая связь обеспечивается, во-первых, рассеянием УКВ на неоднородностях тропосферы, во-вторых, рас­сеянием на неоднородностях ионосферы и отражением от ионизированных следов метеоров и, в-третьих, ретрансляцией через искусственные спутники Земли.

Возможность дальней (и притом регулярной, сравни­тельно устойчивой) связи на УКВ создаётся рассеянием их энер­гии в местных (локальных) неоднородностях тропосферы. Такие неоднородности постоянно создаются и распадаются благодаря вихревым движениям воздуха. Они могут иметь либо плоскую, либо шарообразную форму. Лучи ультракоротких волн, проходя сквозь тропосферные неоднородности, испытывают частичное от­ражение рассеянного характера. Рассеянные лучи преимущественно направлены вперёд, и некоторая их часть до­стигает Земли в точках, отстоящих от пункта излучения на расстояниях, исчисляемых сотнями километров.

Другая возможность дальней связи на ультракоротких вол­нах - связь за счёт рассеяния волн в ионосфере. В нижних слоях ионосферы, особенно в слое D, есть неоднородности электронной концентрации. Эти неоднородности также рассеивают часть энергии проходящих сквозь них радиоволн, как рассеивали неод­нородности тропосферы.

Однако связь при по­мощи рассеянного отражения от неоднородностей в ионосфере имеет специфические свойства.

Метеор оставляет после себя ионизированный «след», рассеивающийся за промежуток времени от десятых долей секун­ды до нескольких секунд. Средняя длина следа, сохраняющего высокую плотность ионизации, принимается при расчётах равной 25км. Плотность ионизации метеорного следа достаточна для того, чтобы отражение метровых волн носило характер скорее зеркаль­ного, нежели рассеянного Рис. 8. При благоприятных сочетаниях на­правления метеорного следа и направления трассы связи поток энергии отражённых волн имеет гораздо большую плотность, не­жели поток рассеянных волн. Этим и объясняется повышенный уровень сигнала при метеорном отражении.

Геометрическое построение показывает, что метеорная связь возможна приблизительно от 700 до 2000км, как и ионосферная. Наибольший эффект в пункте приёма дают метеоры, перпендикулярные плоскости распространения радиоволн между пунктами передачи и приёма. Что касается диапазона волн, то выгодны частоты 30-60 Мгц (волны от 10 до 5м), так как для отражения более коротких волн уже значительная часть следов оказывается недостаточной.

Рис.8. Схема связи с отражением от метеорного следа.

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

Показатель n Свободное пространство Сотовая связь в городе Сотовая связь в городе в тени В зданиях при прямой видимости Препятствия, загромождения в зданиях

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.

Радиотехника исторически развивалась с неуклонной тенденцией к освоению все более высокочастотных диапазонов. Это было связано прежде всего с необходимостью создавать высокоэффективные антенные системы, концентрирующие энергию в пределах узких телесных углов. Дело в том, что антенна с узкой ДН обязательно должна иметь поперечные размеры, существенно превышающие рабочую длину волны. Такое условие легко выполнить в метровом, а тем более, в сантиметровом диапазоне, в то время как остронаправленная антенна для длин волн порядка 10 км имела бы совершенно неприемлемые габариты.

Всякая система передачи сигналов состоит из трех основных частей: передающего устройства, приемного устройства и промежуточного звена - соединяющей линии. Для радиосистем промежуточным звеном является среда - пространство, в котором распространяются радиоволны. При распространении радиоволн по естественным трассам, т.е. в условиях, когда средой служат земная поверхность, атмосфера, космическое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практически не поддается управлению.

Вторым фактором, определяющим ценные свойства высокочастотных диапазонов, служит то обстоятельство, что здесь удается реализовать большое число радиоканалов с не пересекающимися полосами частот. Это дает возможность, с одной стороны, широко использовать принцип частотного разделения каналов, а с другой - применять широкополосные системы модуляции, например, частотную модуляцию. При определенных условиях такие системы модуляции способны обеспечить высокую помехоустойчивость работы радиоканала.

При распространении радиоволн в среде происходит изменение амплитуды поля волны (обычно - уменьшение), изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов. В связи с этим, проектируя линии радиосвязи, необходимо:

• рассчитать энергетические параметры линии радиосвязи (определить мощность передающего устройства или мощность сигнала на входе приемного устройства);
• 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 свойства 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 прямолинейному распространению радиоволн.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли (в масштабе длины волны), называют земными радиоволнами (1 на рис. 6.1). Рассматривая распространение земных волн, атмосферу считают средой без потерь, с относительной диэлектрической проницаемостью е , равной единице. Влияние атмосферы учитывают отдельно, внося необходимые поправки.

В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места.

Тропосферой называется приземной слой атмосферы, простирающийся до тропопаузы (переходного слоя между тропосферой и стратосферой), лежащей над экватором на высоте 16-18 км, в умеренных широтах - на 10-12 км и в полярных областях - на 7-10 км. В тропосфере происходит искривление траектории земных радиоволн, называемое рефракцией. Распространение тропосферных радиоволн (2 на рис. 6.1) возможно из-за рассеяния и отражения их от неоднородностей тропосферы. Радиоволны миллиметрового и сантиметрового диапазона в тропосфере поглощаются.

Рис. 6.1.

Стратосфера простирается от тропопаузы до высот 50-60 км. Стратосфера отличается от тропосферы существенно меньшей плотностью воздуха и законом распределения температуры по высоте: до высоты 30-35 км температура постоянна, а далее до высоты 60 км резко повышается. 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 высотах 60-10 000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т.е. имеется большое число свободных электронов (примерно 10 3 ... 10 6 электронов в 1 см 3 воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. При однократном отражении радиоволны могут перекрывать расстояние по поверхности Земли до 4000 км. В результате многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут распространяться на любые расстояния по земной поверхности. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами (3 на рис. 6.1). На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.

Условия распространения радиоволн (4 , 5 на рис. 6.1) при космической радиосвязи обладают некоторыми специфическими особенностями, а на радиоволны 4 основное влияние оказывает атмосфера Земли.

Под распространением радиоволны в свободном пространстве понимается распространение ее в атмосфере Земли, вдоль поверхности Земли, в космическом пространстве, т. е. в условиях, когда отсутствуют неоднородности трассы.

На процессы свободного распространения радиоволн оказывают влияние параметры среды распространения. Радиоволны принято классифицировать по двум основным признакам: по длине волны (частоте) и по способу (механизму) распространения.

Помимо перечисленных в таблице наименований волн и полос частот, пользуются также другими условными названиями: сверхдлинные волны (СДВ), длинные (ДВ), средние (СВ), короткие (KB), ультракороткие (УКВ).

По способу распространения различают четыре типа волн: прямые, поверхностные (земные), тропосферные и пространственные (ионосферные).

Прямыми называют волны, распространяющиеся в свободном пространстве, т. е. в пространстве, не заполненном каким-либо веществом, по прямолинейным траекториям. На практике принято считать, что трассы Земля — Космос, Космос — Земля также обеспечиваются прямыми волнами, хотя атмосфера Земли и оказывает небольшое влияние на условия распространения. Убывание амплитуды поля прямых волн связано не с наличием потерь (распространение происходит в свободном пространстве), а с естественным сферическим рассеянием энергии.

Рассмотренные типы трасс в настоящее время не являются определяющими для систем связи. В большинстве случаев приемная и передающая антенны располагаются на поверхности Земли или в непосредственной близости от нее. Очевидно, влияние на распространение, кроме полупроводящей почвы, будет оказывать и атмосфера, являющаяся неоднородной средой.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли, частично огибающие выпуклость земного шара вследствие дифракции, получили название поверхностных, или земных волн. Из курса физики известно, что дифракция наблюдается тогда, когда размеры препятствия соизмеримы с длиной волны. В данном случае препятствием является шаровой сегмент. Высота последнего зависит от расстояния между корреспондентами, поэтому ясно, что чем больше рабочая длина волны, тем на большее расстояние она может распространяться за счет дифракции. Дифрагируя вокруг сферической поверхности Земли, поверхностная волна частично поглощается полупроводящей землей, степень поглощения которой зависит от структуры почвы (песок, глина, камни и т. п.) и ее влажности. Атмосфера Земли оказывает малое влияние на условия распространения этой волны.

На распространение тропосферных и пространственных (ионосферных) волн основное влияние оказывает атмосфера Земли. Под атмосферой понимают газообразную оболочку Земли, простирающуюся на высоту до 800… 1000 км. В ней можно выделить три основных слоя: тропосферу - приземный слой высотой 10… 14 км; стратосферу-слой до 60 … 80 км; ионосферу - ионизированный воздушный слой малой плотности над стратосферой, переходящий в радиационные пояса Земли.

Однако каждый из слоев нельзя считать однородной средой. Электрические параметры тропосферы зависят от высоты над поверхностью Земли. Кроме того, в ней непрерывно дуют ветры, перемещая огромные воздушные массы и увеличивая их неоднородность.

Ионосфера подвергается воздействию солнечного излучения, потока заряженных космических частиц, космической пыли и др., что вызывает расщепление молекул на электроны и ионы. Концентрация ионов и электронов на различных высотах различна.

В ионосфере можно выделить четыре слоя: слой D - высота 60 …90 км, концентрация электронов не более 103 эл/см3; слой Е - высота ПО… 130 км, концентрация - 2×104… 105 эл/см3, слой F1 - высота 200…300 км, концентрация 105… 5×105 эл/см3; слой F2 - высота 300… 400 км, концентрация - 5×105… 106 эл/см3. Состояние ионосферы непрерывно меняется, при этом наблюдаются периодические и случайные изменения. Области слоев характеризуются суточной периодичностью изменения концентрации электронов и высоты расположения, причем степень ионизации является различной в летнее и зимнее время. Эти особенности тропосферы и ионосферы и оказывают влияние на особенности распространения радиоволн. В неоднородной среде из-за различных скоростей распространения волн в различных по свойствам объемах в первую очередь наблюдается искривление или преломление волн, которое получило название рефракции. Кроме того, на неоднородности происходит рассеивание энергии радиоволн в различных направлениях, в том числе и по направлению к точке приема.

Радиоволны, распространяющиеся на значительные расстояния (до 1000 км) за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы, а также за счет явления тропосферной рефракции, получили название тропосферных волн. Отметим, что тропосфера оказывает влияние только на электромагнитные волны, длина которых меньше 10 м.

Радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния и даже огибающие земной шар в результате многократных отражений от ионосферы и поверхности земли (в диапазоне волн длиннее 10 м), а также волны, рассеивающиеся на неоднородностях ионосферы (в диапазоне короче 10 м), получили название пространственных, или ионосферных волн.

Механизм распространения, а следовательно, и тип распространяющейся волны определяется конкретными условиями на трассе и частотным диапазоном. Расчет распространения радиоволн сводится к определению напряженности поля в точке приема при заданных мощностях излучения, расстоянии, трассе прохождения волн, длине волны и т. д.