Документ представляет курс по распространению радиоволн, который охватывает электромагнитные свойства сред и факторы, влияющие на распространение радиоволн в атмосфере и на поверхности Земли. Основные задачи курса включают изучение механизмов распространения, частотных полос и инженерных методов расчета условий распространения. Рассматриваются характеристики, влияющие на связь и системы вещания, включая потери передачи и зоны Френеля.

1. ЛЕКЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН»

2. 1. 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.1.1.
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 ζ не
остаются постоянными как в пространстве, так и во времени, т.е.
εа =θ(x,y,z,t), ζ = θ(x,y,z,t).
Кроме того, они изменяются в зависимости от частоты
распространяющейся волны, т.е. εа и ζ = θ(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.
2

3. 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.1.2.
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.
3

4. Таблица 1.1.
λ(м) в
№ Метрическое
Частота Полоса частот свободном Поддиапазон волн
полосы подразделение волн
пространстве
от 3 до Очень низкие от 100000 до Сверхдлинные
4 Мириаметровые
30кГц (ОНЧ) 10000 (СДВ)
от 30 до от 10000 до
5 Низкие (НЧ) Километровые Длинные (ДВ)
300кГц 1000
от 300 до
6 Средние (СЧ) от 1000 до 100 Гектометровые Средние (СВ)
3000кГц
от 3 до
7 Высокие (ВЧ) от 100 до 10 Декаметровые Короткие (КВ)
30МГц
от 30 до Очень высокие
8 от 10 до 1 Метровые
300МГц (ОВЧ)
от 300 до Ультравысокие
9 от 1 до 0,1 Дециметровые
3000МГц (УВЧ)
от 3 до Сверхвысокие Ультракороткие
10 от 0,1 до 0,01 Сантиметровые
30ГГц (СВЧ) (УКВ)
от 30 до Крайне высокие
11 от 0,01 до 0,001 Миллиметровые
300ГГц (КВЧ)
от 300 до от 0,001 до
12 Децимиллиметровые
3000ГГц 0,0001
2.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.
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)
Рис. 2.1.
2. 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.
Рис. 2.2.
4

5. 3.
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
Рис. 2.3. 300МГц на наземных радиолиниях.
4.
Связь с космическим объектом
осуществляется за счет прямой волны,
которая распространяется через
атмосферу и космическое пространство по
радиоканалу.
Рис. 2.4.
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, ζ, 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.
3.Распространение радиоволн в свободном пространстве
3.1.Энергетические соотношения в условиях свободного
пространства
3.1.1. Ослабление поля
Свободное пространство – отсутствие атомов, молекул, зарядов, т.е.
вакуум: εro=1, μro=1, ζo=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.
5

6. 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.
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
Рис. 3.1. площади):
(3.1)
, где Ео д и Но д – действующие значения.
Учитывая, что в условиях свободного пространства
находим связь между мощностью и напряженностью ЭМП:
(3.2.)
(3.3.)
Амплитудное значение:
(3.3’)
На практике ненаправленных излучателей нет. Поэтому необходимо
ввести коэффициент усиления G антенны, который характеризует степень
концентрации ЭМ энергии в данном направлении:
, при условии, что подводимые мощности к обеим антеннам
одинаковы.
(3.4)
.
где Р'1 - мощность, подведенная к направленной антенне;
6

7. P1Э - эквивалентная мощность излучения (она подведена к
ненаправленному излучателю).
Подставив (3.4.) в (3.3.) и (3.3.'), получим:
(3.5.)
Мгновенное значение:
Где – коэффициент фазы (волновое число).
Сравнивая (3.3.) и (3.5), можно сказать, что замена ненаправленного
излучателя на направленный позволяет в точке приема увеличить
G1
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.
3.1.2. 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. 3.2.
7

8. (3.6.)
Радиолиния 2 типа (пассивная ретрансляция)
Рис.3.3.
Мощность на выходе приемника (3.7.)
где η2 – КПД фидера приемной антенны,
– действующая площадь приемной антенны.
а) для симметричного λ/r вибратора , где – длина
плеча.
б) для поверхности антенн , S – геометрический
размер.
На радиолинии 1-го типа плотность потока мощности в месте приема:
(3.8.)
где P1η1G1 – указан на рисунке,
Подставив (5) в (4), получим:
(3.9.)
I
где P 02 – 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 ζэфф (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
(3.10.)
8

9. то переизлученная мощность:
(3.11.)
а плотность потока мощности поля вблизи приемной антенны:
(3.12.)
;
Мощность на входе приемника для радиолинии II типа:
(3.13.)
Если r1=r2, тело расположено в середине трассы, то:
(3.14.)
(3.14.) – уравнение радиолокации.
Анализируя (3.9.) и (3.14.), 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:
(3.15.)
Р1 – мощность на выходе передатчика, Р2 – на входе приемника.
Мощность на входе приемника для радиолинии II типа:
(3.16.)
Если r1=r2, тело расположено в середине трассы, то:
(3.17.)
(3.17.) – уравнение радиолокации.
Анализируя (3.9.) и (3.17.), можно сделать вывод: для радиолиний I-го
типа мощность на входе приемника уменьшается обратно пропорционально
9

10. 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:
(3.18.)
Р1 – мощность на выходе передатчика, Р2 – на входе приемника.
Радиолиния 1-го типа в условиях свободного пространства:
(3.19)
Выделим составляющую L0, которая характеризует потери,
обусловленные сферической расходимостью фронта волны при G1=G2=1.
L0 – называется «основными потерями передачи» в условиях
свободного пространства:
(3.20)
– полные потери передачи. (3.21.)
Для радиолиний 2 типа в свободном пространстве:
(3.20)
Выразим L02 через L0 ,для этого умножим и поделим (3.22.) на 4π/λ2
10

11. В случае реальных сред потери выраженной через множитель
ослабления V, характеризует потери, обусловленные свойствами данной
среды:
или в дБ L1 = L0 – 10LgG1 – 10LgG2 – 20LgV,
где Lдоп - 20LgV – дополнительные потери, обусловленные потерями в
среде
Для радиолиний 2 типа:
3.2.Область пространства, существенно участвующая в
формировании поля на заданной линии.
3.2.1.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 Френеля
Рис.3.4.
Построим серию ломаных линий АСnВ, пересекающих эту плоскость.
11

12. (3.23.)
(3.24.)
(3.25.)
Семейство отрезков АСn( rn ) 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:
(3.26.)
(3.27.)
Или
Откуда
Аналогично внешний радиус n-й зоны:
(3.28.)
Площади всех зон одинаковы и равны:
(3.29.)
Условия распространения вдоль всей трассы можно оценить
характеристиками поля в зонах Френеля на одной плоскости S, только в
случке распространения в однородной среде.
12

13. 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 ѐе положения справедливо равенство.
(3.30.)
- 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.
рис.3.5.
3.2.2.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 приѐма всѐ поля суммировать на
воображаемой замкнутой поверхности.
рис.3.6.
13

14. Рис.3.7.
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:
(3.31.)
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 коллинеарные, при этом векторы соседних
зон En и E n 1 направляют в противоположные зоны
из–за того, что у них длины путей отличаются на λ/2
т.к. , а cosγ ↓c ↑n.
Рис.3.8. Результирующее поле:
(3.32.)
Для выявления количественных соотношений запишем ряд в виде:
(3.33.)
тогда получим: , т. е. апряженность поля равна
половине той величины, которая создается источниками первой зоны. Другая
половина и поля источников высших зон взаимно компенсируются.
14

15. Е0 – напряжения поля в
свободном пространстве.
Е → Е0 при n → ∞
Максимальное поле при
ограничении области
распределения радиусом
нечетной зоны Френеля,
минимальной четности.
Рис.3.9
В результате суммирование поля вторичного приѐма создаѐтся в
основном вторичным источниками первых зон Френеля, что и приводит к
понятию существенной области распределения. Существенная область
ограничивают примерно восьмью пространственными зонами Френеля,
называя еѐ существенным эллипсоидом. Ошибка не превышает 16%.
Максимальный радиус существенного эллипса соответствует середине
трассы, где
(3.34.)
(3.35.)
(3.36.)
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.
Рис.3.10
15

16. Таблица 3.1.
Вид земного покрова εrзм ζrзм см/м
Морская вода 80 1-6
Пресная вода рек и озер 80 10 ÷10-2
-3
Влажная почва 10-30 3*10-3÷3*10-2
Сухая почва 3-6 1*10-5÷5*10-3
Мѐрзлая почва 3-6 10-3÷110-2
Снег (t = -60°C) 1 10-6
Лѐд(t = -60°C) 4-5 10-2÷10-1
4.Распространения радиоволн вдоль гладкой земной
сферической поверхности.
4.1.Электрические свойства земной поверхности.
Эти свойства оцениваются μrзм , εrзм , ζrзм.
Считать, что все виды земной поверхности немагнитные и μrзм = 1.
Изменения только εrзм и ζrзм
Установлено, что основным механизмом изменения электрических
свойств является способность поглощения влаги Землей.
Сказать о морской воде, ее проводимости.
В таблице приведены ориентировочные значения ζrзм и εrзм для
типичных видов земных покровов и волн длиннее 1м.
Величины εrзм , ζrзм не дают полной характеристики условий
распределении радиоволны в земле и вдоль еѐ поверхности.
Среды делятся на проводники и диэлектрики не по значениям ε rзм и
ζrзм, а по соотношению плотности токов смещения Jcм и проводимости Jпр
(4.1.)
Согласно первому уравнению Максвелла:
(4.2.)
εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость земли.
ω – круговая частота поля = 2πf.
Принято: если , то влияние тока проводимости мало и почти
можно считать диэлектричной.
16

17. если - то почва проводника.
Электрические свойства земли оцениваются относительной
комплексной диэлектрической проницаемостью:
(4.3.)
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.
Таблица 4.1.
f λ ГЛУБИНА ПРОНИКНОВЕНИЯ
МГц м
морская вода влажная почва сухая почва
εrзм=80, ζзм=1 εrзм =10, ζзм=10-2 εrзм =5, ζзм=10-3
0,1 3000 0,8 15 59
3 100 0,14 5 17
10 30 0,08 2 9
Из таблицы видно, что связь, как в морской воде, так и в земной
поверхности невозможна.
рис 4.1.
При решении задач распространения радиоволн вдоль границы воздух-
земля существенное значение имеет величина εrзм.
(4.4.)
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
17

18. (4.5.)
, где –
Ė вt и H вt - тангенсальные составляющие поля в воздухе,
E Ė
E
(4.6.)
, т.к. для земли μазм = μ0, то:
(4.7.)
, 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
ė rзм
e
.
Коэффициент отражения:
(4.8.)
При параллельной поляризации поля относительно плоскости падения
или вертикальной относительно поверхности падения
18

19. R θ
R
1 θ┴
π
R||
θ║
2 ∆
π/2
Рис 4.2. Рис 4.3.
Характер изменения модуля и аргумента коэффициента отражения
4.2.Физические процессы или распространения земной волны.
Задачи о распространении радиоволн вблизи гладкой поверхности
земли в превом приближении рассматриваемой в предположении, что Земля
ė r = ė rзм
e e
электрически однородна и еѐ , а электрические параметры
воздуха совпадают с параметрами свободного пространства:
r0 = 1, r0 = 1, 0 = 0.
1. Земная волна, распространяющаяся вдоль границы раздела воздух-
почва, возбуждает в почве и в воздухе точки, которые являются
источниками вторичного поля.
2. Земная волна есть суперпозиция полей, наведѐнных воображаемыми
вторичными источниками, которые возбуждаются первичными полями
в воздухе и почве.
3. Вблизи границы воздух-земля поле ослаблено связи с конечной
проводимостью ζзм. В то же время почва экранирует проникновение ЭМП
в глубину (явление скин–эффекта). Это препятствует оттоку ЭМЭ в
нижнюю полусферу и способствует усилению поля над землѐй.
4. Сферическая земная поверхность является препятствием, которое
земная волна огибает при распространении за линию горизонта.
Процесс огибания земной волной
сферического неидеального экрана с
rзм=6370км радиусом rзм = 6370км
сопровождается большими потерями.
Рис 4.4.
Учет совокупного действия названных физических процессов
состовляет содержание сложной дифракционной задачи нахождения поля
земной волны. Еѐ полное решение для Земли с однородными
19

20. электрическими параметрами и однородной атмосферы получено
советским учѐным В.А.Фоком в 1945 году.
4.3.Классификация методов расчѐта поля
Решение Фока представляет бесконечный ряд, анализ которого
показывает, что для практических расчѐтов возможно общее решение
разбить на ряд частных. Критерием для применения частных решений
служат: высота подъѐма антенны и длина радиолинии.
Оба параметра определяют степень затененности Землѐй
пространственных зон Френеля.
С точки зрения высот расположения антенн различают два типа
задач:
A C r B
1. h > λ - высоко поднятые
антенны. Это характерно для работы
на СВЧ и УВЧ.
h1 rпр h2 2. h ≤ λ - низко расположенные
азм антенны. Это характерно для работы
на ВЧ и более низких.
Рис 4.5.
r≈rпрямой видимости, h1и h2 << aзм,
rпр = АС + СВ, (4.11.)
где
Откуда , если азм в км.
Если h1и h2 , то - [км].
При h > λ различают следующие зоны на пути распространения земной
волны:
1. Освещѐнную (r<rпр);
2. Полутени (r≈rпр);
3. Тени (r>rпр).
При h ≤ λ также различают три зоны:
1. Приближения плоской Земли, протяженность которой зависит от
соотношения λ и aзм.
2. Полутени.
3. Тени, которая следует за зоной полутени.
4.4.Множитель ослабления.
Для оценки влияния земли в задачи дифракции, а так же при
исследовании других механизмов распространения частот СВЧ, УВЧ и ОВЧ
пользуются понятием множителя ослабления V:
(4.12.) 20

21. , где
Ė - напряженность поля на расстоянии r в реальной среде;
E
Ė 0 - напряженность поля на расстоянии r в свободном пространстве;
E
|V | - модуль;
exp ( j )
V - фаза.
Ė = f(r , h 1 , h 2 , поляризация , рельеф местности ,
V
E , , ).
(4.13.)
(4.14.)
5.Поля поднятого излучателя в освещѐнной зоне.
5.1.Отражательная трактовка влияния земли.
Расчѐт поля земной волны поднятого излучателя (h > λ) в освещѐнной
зоне базируется на принципе геометрической оптики.
A B
Z n+1 Источники А и А’ расположены
h Z в свободном пространстве. При
n
таком расположении поле в
∆ ∆
S точке В над Землей определяется
Cn+1
Zn как суперпозиция полей от
h Z n+1 источника А и источника А’.
A
Рис 5.1..
Мнимая схема распространения может заменить истинную, если
распределение в пространстве амплитуд и фаз поля в обоих случаях
совпадает. Это достигается выбором соответствующих характеристик
мнимого источника А’.
Должно быть так: Еt и Нn на поверхности S=0. Это получится, если Е и
Е’ будут равны по амплитуде. А равны они будут тогда и только тогда, когда
ток в А и ток в А’ будут равны и они будут равно удалены от плоскости S.
Это будет выполняться при зеркальном расположении A по отношению к А’.
Необходимые фазовые соотношения можно установить, проследив за ходом
21

22. силовых линий, пересекающих плоскость S при разных видах поляризации
первичного поля.
A
I
I A
S Et Et
δзм= ∞ Et Et S
E
E
I = -I
Eη=0
E
A A
I =I E
E Выполнение граничных условий
η=0
возможно при противофазности
Выполнение граничных условий токов.
возможно при совпадении фаз токов
в обоих источниках
Рис 5.2.
В воображаемой схеме распространения зеркальный источник
возбуждает в точке приема волну, которая в реальной схеме соответствует
той волне истинного источника, которая отражается от поверхности Земли в
точке Сn+1.
В случае реальной земной поверхности с конечной проводимости еѐ
влияния также сводят к наличию на трассе зеркального источника, только
ток в этом источнике I’ =IR, где R коэффициент отражения. Такой метод
учѐта влияния земли называют отражательной трактовкой.
5.2.Существенная область для отражения.
22

23. Ограничения в применении отражательной трактовки
Т. приема
B
A
h1 h2
∆ ∆
cn
h1
A
an
cn bn
Существенная область (зона)
для отражения
Рис 5.3.
При равных h1и h2 =h точка Сn располагается в середине трассы и
размер осей определяется как:
, где n – номер зоны Френеля.
В прикладных расчѐтах n=1, в инженерных расчѐтах n=8.
Δ – угол наклона траектории отраженной волны АСnB.
Обычно h1+h2<< r
В общем случае h1≠ h2 , угол наклона определяется обычно:
(5.2.)
На реальных радиолиниях:
1) и sinΔ<<1, тогда размер аn>>вn область существенная
для отражения сильно вытянута вдоль трассы и тем больше, чем ниже
установлена антенна и длиннее трасса.
При h1+h2=0 вся трассы становится существенной областью
отражения. На линиях СВЧ и УВЧ аn -десятки километров (ЭМ свойства
переменны), вn - десятки метров (ЭМ свойства постоянны).
2) Ограничения в применении отражательной трактовки зависят от
свойств земли.
Существенно: для зеркального отражения отражѐнная волна
оценивается одним коэффициентом отражения R. Однако в реальных
условиях R может изменятся в пределах существенной зоны отражения:
23

24. R=R(a,в).
Это наблюдается если:
1) Земная поверхность неоднородна в пределах существенной зоны
отражения.
2) Значит - неровности в зоне существенного отражения.
3) Если аn и вn – велики, тогда различные лучи достигают
различных частей существенной зоны отражения под разными Δ.
Тогда отражательная трактовка применима во всех случаях, когда:
ΔR<<R(Δ).
ΔR - изменение коэффициента отражения в пределах существенной
области для отражения;
R(Δ) – коэффициент отражения для волны зеркального источника.
|ė rзм | >> 1
e
Если существенная область электрически неоднородна ,
то с точки зрения геометрии траекторий условие приводится к виду:
Из формулы видно, что в случае зеркальной поверхности, когда при
любых Δ величина R2(Δ)=1 ограничений в применении отражательной
трактовки нет.
В реальных случаях эта трактовка наиболее критична при:
1) пологих траекториях;
2) случая параллельной поляризации, где R||(Δ) изменяется резко;
3) cсферичность земли:
A a) θ-θ’<<2π
B б) r-r’<<λ – это будет условие
r’ (θ’) применимости отражательной
r (θ) трактовки.
Это приводит к:
Рис.5.4.
Критичны случаи для пологих траекторий, когда Δ→ 0.
5.3.Поле ненаправленного излучения в освещенной зоне в
приближении плоскости земли
Расчет поля земной волны в освещѐнной зоне при h1 > λ будем вести,
используя отражательную трактовку влияния земли.
24

25. γ
r1 Eотр
A[ I ]
Eпр Eзм
h1 h2
∆
h1 r
A’
r2
Рис 5.5.
Ė пр
E Ė отр
E
где распространяется по пути r1, - по r2. G1=1 –
ненаправленный излучатель.
к=2π/λ, R – модуль, θ – фаза коэффициента отражения от земли.
r2 = r1 + Δr
Учитывая, что r>>h1,2 и угловое расхождение векторов γ мало, можно
Ū пр ||Ū отр
U U
E E
считать, что . Это же условие позволяет при вычислении
амплитуд принимать r1=r2=r, тогда амплитуды:
При вычислении разности фаз , от которой зависит
результирующее поле, такое приближение неприемлемо.
Это обусловлено тем, что в см и дм диапазонах h1>λ, условие
противофазности полей Δθ=π или синфазности полей будет выполняться
при небольших Δr.
r2 = r1 + Δr, Δr=λ – в фазе, Δr=λ/2 – в противофазе.
- множитель ослабдения (это было раньше). Значит:
Модуль:
25

26. (5.8.)
Фаза:
(5.9)
Из (5.8.) видно, что модуль меняется немонотонно при плавном
изменении разности хода интерферирующих волн. Величину Ė называют
V
E
интерференционным множителем ослабления или просто интерфереционным
множителем.-
Закономерности изменения напряженности поля, определяемые
модулем V , станет наглядной, если разность характеристики лучей выразить
через известные величины r, h1, h2, а также учитывая неравенство
r2>>(h1+h2)2, получаем выражения для длин путей:
откуда разность хода лучей
∆r = r2 – r1 ≈ 2h1h2/r (5.10)
Подставляя (3) в (1) получим:
(5.11.)
Рис. 5.6.
Действующее значение напряжѐнности поля:
Из анализа этих формул следует, что при перемещении вдоль
трассы, когда меняется r, а также при изменении h1 и h2 распределение поля
носит немонотонный характер. Поле имеют максимумы и минимумы.
Максимумы – при синфазном сложении прямой и отраженной волн.
Минимумы – при противофазном сложении прямой и отраженной волн.
Из формулы (4) v – max, тогда (4πh1h2)/(λr)+θ = 2mπ, где m=1,2,3
Vmax =1+Rmax
Vmin, когда (4πh1h2)/(λr)+θ = (2m+1)π, где m=1,2,3...
26

27. Vmin =1-Rmin
Точку приѐма
располагают возле 1го
интервала максимума. В
этой области траектории
волны прямой и
отраженной сливаются и
r→0 и V уменьшается
монотонно.
Рис. 5.7.
5.4.Интерференционный множитель ослабления с учетом сферичности
земли.
Пределы применяемости интерференционных формул.
Учет сферичности Земли производится путем оценки соответствующих
изменений амплитуды и фазы отраженной волны по сравнению со случаем
плоской Земли.
1. Начнем с вопросом о фазовых изменениях.
Раньше было: значение поля в
2
точки В зависит не от фазы r2 а от
разности фаз , который
зависит от h1 и h2. Для случая
сферической Земли разность фаз также
удобно выразить через высоты, которой
называют приведенными высотами и
обозначаются как h'1 и h'2
Рис.5.8.
h'1 = h1 - ∆h1 ∆r = r2 – r1 = 2 h'1 h'2/2
h'2 = h2 - ∆h2
∆h1 =?
∆h2 =?
2. Измерение амплитуды отраженной волны за счет сферичности по
сравнению со случаем плоскости Земли обусловлено двумя явлениями:
а) во-первых, за счет кривизны земной поверхности изменяется угол
возвышения траектории отраженной волны ∆ и соответственно изменяется
27

28. коэффициент отражения R(∆). Это изменение определяется при приведенной
высоты tg∆ ≈ sin∆ ≈ (h'1+h'2)/2 при условии (h'1+h'2)/2<<r
б) во-вторых, выпуклость земной поверхности приводит к заметному
расхождению отраженного пучка лучей, что уменьшает плотность потока
мощности отраженной волны в заданном направлении.
D – Коэффициент
расходимости:
В Sпл – плотность П >
плотности П в Sсф
Рис.5.9.
Через приведенные высоты h'1, h'2 и длинны трасы r уменьшение Eотр
волны за счет расхождения пучка лучей оценивается путем изменения
модуля R.
Принимают, что Rсф = RплD.
Подставив ∆r и Rсф в (1) получим модуль V :
(а)
Действующее значение напряженности поля:
(5.15.)
Предел применимости интерференционного множителя на трасах,
протяженностью которых не превышает прямой видимости, обусловлен тем,
что отражательная трактовка предлагает наличия двух волн в точке приѐма.
Предел применимости определяется выражением:
, т.е. низкие траектории не желательны.
6.Поля низко расположенного электрического вибратора в
зоне приближения плоской земли.
6.1.Структура поля
Диапазон: декаметровый, гектометровый и более длинные.
28

29. h1 и h2<λ и условие (1) не выполняется и работа осуществляется на
дифракционной волне, скользящей вдоль поверхности Земли.
Рис 6.1.Случай зеркальной Земли
Рис 6.2.Случай Земли с ηзм конечной
величины. Фронт в районе ПРМ и
ПРД антенн плоский.
Тогда в воздухе горизонтальная составляющая магнитного поля
воздуха:
(6.1.)
(6.2.)
Ė
H 1y
E
- эта составляющая связана с горизонтальной составляющей
Ė 1x
E
ЭМП граничными условиями Леонтовича на границе воздух-земля:
(6.3.)
, при z=0.Или с учетом (6.2.):
при z=0
29

30. ,где
Получим:
(6.5.)
Из анализа формулы (6.5.) видно, что всегда т.е.
горизонтальная составляющая, тем меньше, чем больше проводимость земли
и длиннее волны.
Во всех случаях излучение и прием земной волны в
непосредственной близости к Земле выгодно вести на антеннах с
вертикальной поляризацией.
Из (2) видно, что в поле над землей присутствуют две составляющие
Ėx
E Ėz
E
и , и что результирующее поле над поверхностью земли
поляризовано эллиптически.
z
ψ Ė 1z >> Ė 1x
E E
Т.к. – эллипс сильно
вытянут, поэтому в воздухе считают,
что поляризация линейна. Вектор Е
Ėz
E Ū1
U
E направлен вдоль большой оси
x эллипса под углом ψ:
Ėx
E
Рис 6.3.
(6.6.)
Его называют углом наклона фронта
волны.
Рис 6.4.
Стуруктура поля в почве будет определяться из точных граничных
условий:
т.к
и беря во внимание выражения (6.5.) и (6.7.) , а также граничное
Ė 2x = Ė 1x
E E
условие , получим, что (см. рисунок)
30

31. 6.2.Расчѐт напряженности поля в зоне приближения плоской
земли.
Границы приближения плоской земли.
Напряжѐнность поля земной волны, скользящий вдоль поверхности
земли, можно определить только волновым методом путем решения
системы уравнений Максвелла с учѐтом граничных условий на
поверхности раздела воздух-земля.
Решение этой системы даже для случая плоской поверхности
раздела представляет весьма сложную задачу, решение которой в 1909
году получил Зоммерфельд. Однако интегральная форма окончательного
решения оказалась не пригодной для расчѐтов.
Спустя 10 лет было получено решение, позволяющее определять
вертикальную составляющую поля земной волны, когда излучатель
расположен на плоской поверхности раздела воздух-земля.
Решение для действительного значения напряженности поля
представляется в виде:
(6.8.)
Е∞Д - действующее значение напряженности поля над идеально
проводящей плоскостью;
Vзм(ρ) - искомая функция, которая представляет собой модуль
множителя ослабления;
Ė зм
V
E
- величина комплексная и является сложной функцией от
некоторого комплексного аргумента ė , который называют численным
e
расстоянием.
Модуль численного расстояния для почв с |ė | >> 1 :
e
(6.9.)
.
Земная волна характерна для волн среднего и более низкого
диапазона волн.
В этом случае 60λζзм>>εrзм и выражение для модуля численного
расстояния определяется:
(6.10.)
31

32. Если ρ известно, то расчѐт поля сводится к вычислению функции
Vзм(ρ). Берроуз вычислил и составил график:
0,01 0,1 1 10 100 1000 В этом случае такое
1 ρ вычисление
60λζзм>ε r зм
проводится
Vзм(ρ) методом
0,1 численного
60λζзм<ε r зм
интегрирования.
Вертикальнавя Эти громоздкие
поляризация операции, как
0,01
правило, заменяют
определением
0,001
Vзм(ρ) по графикам.
Рис 6.5.
Кроме того, можно использовать приближенную формулу:
(6.11.)
, которая для больших расстояний ρ >> 25 упрощается:
Общие закономерности изменения напряженности поля скользящей
земной волны таковы: на малых удалениях от ПРД пока ρ ≤ 25 и V≈1
поле убывает как 12; на больших расстояниях, когда ρ >> 25 поле
убывает как 14 за счѐт утечки энергии в Землю.
Приближение плоской Земли справедливо до расстояний:
rпл зм≤7λ1/3, λ в м, r в км.
Ошибка вычислений в этом случае не больше 10%, по отношению к
точному решению.
7.Электрические параметры земной атмосферы.
7.1.Строения атмосферы земной земли.
Атмосфера – газообразная оболочка, окружающая землю и
вращающаяся вместе с ней как единое целое.
Поверхность земли – нижняя граница атмосферы. Верхняя граница
неоднозначна.
Самая верхняя часть атмосферы – заполнена преимущественно
заряженными частицами, захваченными магнитным полем Земли. Они
образуют так называемые радиационные пояса.
Магнитное поле земли спокойное – верхняя граница атмосферы (2-3)азм.
При сильных магнитных возмущениях граница атмосферы 20 азм.
32

33. На распространение радиоволн влияет в основном часть атмосферы,
которая простирается до 1000 км.
По оценки условий распространения радиоволн атмосферу разделяют
на три области:
1) Тропосфера;
ионосфера
2) Стратосфера;
50-60км стратосфера 3) Ионосфера.
1,2 – состоят из нейтральных
10-12 (16-18)км тропосфера молекул (нейросфера), а 3 - много
Земля свободных зарядов электронов и
ионов.
Рис 7.1.
7.2.Химический состав атмосферы
Молекулам и атомам химических элементов, составляющих
атмосферный газ, соответствует определѐнная электронная и магнитная
структура, от которой зависит электрические и магнитные параметры
атмосферы.
Химический состав сухого воздуха однороден до h=90км. Сухой
атмосферный газ состоит из молекул азота и кислорода в молекулярном
состоянии (N и О2).
На h=60км наблюдается рост озона (О3), что изменяет тепловой режим
этой области.
Особое влияние оказывает влажность воздуха на распространение
радиоволн. С ростом высоты влажность быстро падает и в сотни раз
уменьшается, чем на поверхности Земли. Влага переходит в осадки
(тропосфера). Стратосфера – влажность очень мала и осадки не образуются.
На h>90км происходит расщепление молекул на атомы под действием
ультрафиолетового излучения Солнца. На h>1000км ионизированный
водород (очень лѐгкий газ). В атмосфере, кроме газового вещества,
содержатся пылеобразная смесь с линейными размерами 10 -7…10-2см.
Источник пыли – выветривание горных пород и метеорная пыль.
33

34. Температура атмосферного газа.
h км Температура атмосферного газа
ночь
300
день
200
100
Это
обусловлено
нагревом T
земли
200 400 600 800 1000 0K
Увеличение температуры обусловлено поглощением ультрафиолетового
излучения солнца слоем озона.
Рис 7.2.
На высотах больше 80км тепловой режим обусловлен поглощением
солнечного излучения и поэтому с высотой температура растѐт и достигает
2000…3000К на h > 500км.
Температура атмосферы испытывает регулярные и нерегулярные
изменения. К регулярным относят:
1) суточные;
2) сезонные;
3) географические;
4) по циклам солнечной активности (в ионосфере).
Нерегулярные изменения условий обусловлены воздушными
течениями, а в ионосфере - ионосферными бурями.
7.3.Нейтральные и заряженные (электроны и ионы) частицы и их
плотность
Количество нейтральных частиц Nн в единице объѐма (плотность)
зависит от температуры, молекулярного веса газа, ускорения силы тяжести.
h км
Значения Nн подвержены
400
Усредненная кривая изменениям за счѐт регулярных и
300 Nн нерегулярных температурных
200
изменений в пространстве и во
времени, а также за счѐт
100
перемещения воздушных масс.
108 1010 1012 1014 1016 1018 См-3
Рис 7.3.
34

35. Распределения заряженных частиц
В ионосфере на h= 50-60км присутствуют:
1) нейтральные частицы;
2) свободные заряженные частицы: электроны + и - ионы
Количество + и – частиц одинаково. В целом ионосфера плазма -
электрически нейтральна.
Основными параметрами ионосферы являются:
1) электронная концентрация (плотность) Ne (1/м3);
2) эффективная частота соударений (νэфф) (1/с) электронов с тяжелыми
частицами.
Свободные заряды появляются в результате процесса ионизации.
Основной источник ионизации в атмосфере солнечная радиация в виде
фотонов. Фотоионизация проникает по схеме:
, где Г – нейтральная частица, - энергия
фотона. Кроме процесса фотоионизации есть ещѐ процесс ударной
ионизации, которая возникает при соударении корпускул с нейтральными
частицами. Корпускулы испускает Солнце - это электроны + протоны =
солнечный ветер. В средних широтах роль ударной ионизации невелика. Она
велика в полярных широтах. Количество заряженных частиц в атмосфере
зависит и от обратного процесса – рекомбинации:
(7.1.)
.
Суммарное изменение во времени электронной концентрации на
высоте h определяется уравнением:
(7.2.)
Ju ( h )
- эффективный коэффициент ионизации (м-3с-1), определяющий
количество ионизированных частиц в единицу объема за единицу времени;
p( h ) - эффективный коэффициент рекомбинации (м3с-1),
характеризующий вероятность воссоединения ионизированных частиц.
При равновесном состоянии, что имеет место в полуденные часы:
.
В идеальном случае:
35

36. h км
Ne
Пс
Пс – плотность
ионизирующего воздействия;
Внешняя
Nн – число нейтральных
ионосфера частиц.
O
Внутреняя
ионосфера Nн
Nн Пс Ne ,
Ne max
Рис 7.4.
На самом деле: Имеется 4 слоя:
h км Слой D – дневной слой;
Внешняя Слой Е – существует круглые сутки,
ионосфера но в дневное время концентрация
103
больше, чем в ночное;
Слой F1 наблюдается в средних
F2 широтах только в дневное летнее
F1
10 2
E время;
D Слой F2 существует всегда.
Ne cm-3
102 103 104 105 106
Рис 7.5.
h, км
300 Зависимость эффективного числа
соударений в единицу времени.
200
100
102 103 104 105 106 νэфф , с-1
Рис 7.6.
7.4.Электрические свойства тропосферы и стратосферы
7.4.1.Диэлектрическая проницаемость тропосферы и стратосферы
Свойства любой сферы определяются совокупностью токов,
возникающих в данной среде под действием внешнего поля. В
ионизированных областях атмосферы (тропосфера и стратосфера) плотность
полного тока, наводимого внешним полем:
36

37. , , имеет две составляющие:
Ė см
E
J Ėп
E
J
где - плотность тока смещения, - плотность тока
поляризации, 2 - относительная диэлектрическая восприимчивость.
(7.4.)
a1 a
, где и 2 - постоянные коэффициенты,
р – давление [мбар], W – влажность [мбар], т.е. давление водяных
паров; Т – температура [К].
a1 a
и 2 - определяются экспериментально и равны соответственно
1,552·10-4 и 0,745, тогда:
(7.5.)
Иногда пользуются коэффициентом преломления для
тропосферы и стратосферы.
В качестве первого приближения, дающего представление о
среднесезонном распределении εr T по высоте, можно пользоваться понятием
«стандартной радиоатмосферы», которая описывается выражением для εr T:
, где h – в метрах.
На наземных линиях передачи, работающих на длинах волн менее 10
метров, используют линейную зависимость:
(7.6.)
- градиент коэффициента преломления.
7.4.2.Локальные неоднородности
Толщина слоев от 0,1м до нескольких
сотен метров, длина от 10м до
10-30км
Рис 7.7.
Локальные неоднородности делятся на 2 типа:
37

38. 1. Слоистые неоднородности. Облака образуют неоднородность, т.к. на
границе облаков очень резко меняется температура, то rT меняется от
10-6 до (5…10)·10-5.
2. Неоднородности турбулентного характера.
7.4.3.Распределение осадков в тропосфере
В тропосфере в результате конденсации водяных паров образуются
частицы воды, которые могут находиться либо во взвешенном состоянии,
либо выпадать в виде осадков: дождя, снега, тумана, града.
Наибольшее влияние на распространение радиоволн оказывают осадки
в виде дождей, что проявляется на частотах от 8 до 10ГГц.
7.5.Электрические свойства ионосферы
В ионосфере плотность полного тока, наводимого внешним полем
равна сумме (7.7.) ,
Ū кон
U
J
где - конвенционный ток.
Плотность конвенционного тока обусловлена движением только
свободных электронов:
- средняя скорость упорядоченного движения
электронов.
(7.8.)
По первому уравнению Максвелла:
, , тогда
Ū = jw( _0 _r -j /w)Ū
U
J U
E (7.9.)
Из (7.8.) и (7.9.) получим:
2
, где эфф - эффективное число соударений электронов с другими
частицами.
(7.10.)
. После подстановки значений e, me и ε0:
38

39. ; (7.11.)
На достаточно больших частотах, когда :
;
(7.12.)
Учитывая, что максимальное значение эфф наблюдается в слое D и
имеет порядок 107 с-1 приближенные формулы (7.11.) и (7.12.) могут быть
использованы на частотах более 3МГц, т.е. в диапазоне декаметровых и
более коротких волн.
Свойства ионосферы, вытекающие из формул (7.11.) и (7.12.):
1) Физическая проницаемость ионосферы меньше диэлектрической
проницаемости свободного пространства (εru < 1) за счет наличия
конвенционного тока, который направлен против тока смещения.
2) εru зависит от эфф , Ne, которые претерпевают пространственные и
временные изменения, т.е. ионосфера является неоднородной средой.
Рис 7.8.
3) εruзависит от частоты, т.е. ионосфера является диспергирующей
средой.
4) εru может принимать нулевое значение, если частота приложенного
поля будет равна так называемой собственной электронной частоте
=0
ионосферной плазмы, которая определяется при эфф как:
, на частотах w < we, εru < 0.
5) Проводимость ζи ионосферы на разных высотах различна, т.к.
зависит от электронной концентрации и частоты соударений, которые в свою
очередь зависят от высоты.
39

40. Рис 7.9.
ζи, характеризующая поглощение в ионосфере тем меньше, чем выше
частота (при ). Это происходит потому, что с ростом частоты из-
за инерции электронов их средняя скорость падает, следовательно, падает
кинетическая энергия, которую электрон отдает тяжелым частицам при
столкновении. Поглощение мало на частотах более 100МГц. Поэтому
космические линии (Земля-Космос) строятся на частотах выше 100МГц.
8.Распространение радиоволн в земной атмосфере
8.1. Физические процессы, наблюдаемые при распространении
радиоволн в атмосфере.
Земная атмосфера – пространственно неоднородная поглощающая
среда, а верхняя ее часть – ионосферная плазма – обладает еще
дисперсными и анизотропными свойствами.
Распространение радиоволн в такой среде сопровождается
следующими физическими процессами:
1. преломлением волн, обусловленным пространственной
неоднородностью атмосферы.
2. рассеянием поля на локальных неоднородностях атмосферы.
3. ослаблением напряженности поля в газах тропосферы, в осадках
типа дождя, тумана и др.
4. поглощением, обусловленным конечной проводимостью
ионосферы.
5. изменением поляризации волны в анизотропной ионосфере и
деполяризацией в осадках.
6. регулярными и случайными флуктуациями напряженности поля,
связанными с изменениями электрических параметров атмосферы.
7. искажениями передаваемой информации из-за многолучевой
структуры принимаемого поля и дисперсии.
Рассмотрение количественных характеристик этих процессов,
имеющих резко выраженную частотную зависимость в пределах
радиодиапазона, и составляет дальнейшее наше изложение.
40

41. 8.2.Преломление радиоволн.
Раньше было доказано, что εr=f(h).
Распространение радиоволн в такой среде сопровождается
искривлением траектории распространения – это явление получило название
рефракция. В этом случае траектория представляет собой кривую, к которой
касателен вектор, характеризующий скорость распространения энергии
волны.
Из курса электродинамики известно, что в средах без диспрерсии
Ūф
U
V
(тропосфера и стратосфера) таким вектором является и в среде с
Ū гр
U
V
дисперсией (ионосфера) вектор групповой скорости . В условиях
атмосферы, где коэффициент преломления есть функция высоты, модули
этих векторов равны:
,(8.1.) где с0 – скорость распространения в свободном
пространстве, - коэффициент преломления на высоте
h.
,
где - коэффициент преломления в среде, где
наблюдается дисперсия.
Выражения (8.1) и (8.2.) показывают, что в атмосфере скорость
распространения волны различна на различных высотах. Поэтому элементы
фронта волны перемещаются с разными скоростями, что и является
причиной поворота фронта в процессе распространения, т.е. причиной
рефракции.
Для нахождения траектории волны в приближении теории
геометрической оптики неоднородную атмосферу разбивают на сферические
элементарные слои такой толщины, что в пределах каждого слоя
коэффициент преломления оказывается величиной постоянной, т.е.
Δn(h)=const, а траектория – прямолинейной. Только на границах слоев волна
претерпевает преломление.
41

42. Угол падения θ0 связан с углом
преломления θ’0:
n0 sin θ0=n1 sin θ’0 (8.4.)
Из ΔОАВ:
.
Откуда связь между углами θ0 и
θ1 на высотах h0 и h1 с учетом (8.4.)
будет выглядеть следующим
образом:
Рис 8.1. (8.5.):
В результате преломления на границе элементарного слоя,
расположенного на высоте h2, угол падения изменяется до значения θ2,
которое определяется из равенства:
(8.6.)
Согласно (1) и (2) для любой границы расположенной на высоте h:
.
Откуда: , при азм >> h0,h.
Для плоскослоистой атмосферы (азм → ∞):
(8.7.)
Полученные выражения показывают, что изменение наклона
траектории зависит от перепада значений коэффициента преломления на
пути следования волны.
8.2.1.Радиус кривизны траектории
Искривление траектории способствует огибанию волной выпуклости
сферической поверхности Земли. В зависимости от соотношения радиуса
Земли азм к радиусу траектории ρ предельное расстояние радиовидимости
может изменяться в больших пределах. В пределах теории геометрической
оптики для определения радиуса кривизны траектории выделим тонкий слой
Δh, расположенный на высоте h.
42

43. На нижней границе слоя Δh
происходит скачок искривления
траектории на угол Δθ (точка К на
рис.). Радиус кривизны в точке
перегиба при Δh → 0.
Δθ – центральный угол. Из ΔКВС
следует:
откуда .
Рис 8.2.
Δθ определяется из закона преломления, записанного с учетом
параметров атмосферы на высоте h.
(sin (ℎ)cos∆ +cos (ℎ)sin∆ )
Δθ – мало. Значит cosΔθ ≈ 1, sinΔθ ≈ Δθ,
а произведение Δn·cosθ(h)·sinΔθ ≈ 0 – величина малости второго
порядка.
ℎsin ℎcos∆ +∆ sin ℎcos∆ +∆ cos ℎsin∆ + ℎcos ℎsin∆ = (ℎ)sin ℎ
+∆ sin ℎ+ (ℎ)cos (ℎ)∆
(8.8.)
Из (8.8.) видно, что траектория отличается от прямолинейной (ρ
≠∞) только при конечном значении градиента dn/dh, т.е. в неоднородных
средах.
Знак «-» означает, что при dn/dh<0 ρ положителен и траектория
выпуклостью обращена вверх и при dn/dh>0 с отрицателен и траектория
выпуклостью обращена вниз.
Согласно (1), чем более полога траектория, тем больше ее искривление.
43

44. В принятом приближении геометрической оптики при вертикальном
падении, когда θ(h)=0 и ρ=∞, и имеет место прямолинейное распространение.
Фронт параллелен слоям, в пределах которых n(h)=const. При этом все
элементы фронта вертикально распространяющейся волны перемещаются с
равными скоростями и рефракция отсутствует.
8.2.2.Траектории радиоволн в тропосфере.
Эквивалентный радиус Земли.
У поверхности Земли εrт отличается от «1» на несколько
десятитысячных и уменьшается с увеличением высоты со скоростью, которая
оценивается градиентом коэффициента преломления:
(8.9.)
В такой слабо неоднородной среде траектория радиоволн испытывает
малое искривление. Поэтому для оценки условий распространения наиболее
существенным оказывается определение соизмеримости радиусов
траектории распространения и Земли.
Радиус траектории в пределах тропосферы определяют из условия, что
nТ(h=0) ≈ 1:
(8.10.)
Для малых высот, где зависимость εrт(h) можно считать линейной, и где
, .
Для волн, распространяющихся по пологим траекториям θ(h)→900 и
пренебрегая малыми изменениями угла θ(h), получим:
. (8.11.)
Из этой формулы видно, что если на всем пути распространения
градиент εr=const, то траектория определяется величиной градиента в
условиях стандартной тропосферы.
44

45. Рис 8.3. Рис 8.4.
При расчетах неудобно иметь дело с криволинейной траекторией. Это
можно избежать для области высот, где gт =const, введя понятия
эквивалентной радиус Земли азм э. В данном случае принимается, что
распространения радио – волны идет по прямой линии, но над Землѐй с
эквивалентным радиусом азм э.
Значение азм э определяется из условия, что высоты в обоих случаях
одинаковы.
Это условие выполняется, если в двух схемах распространения равны
относительные кривизны:
(8.13.)
Для стандартной тропосферной рефракции.
(8.14.)
Необходимо ещѐ раз подчеркнуть, что концепция экв. радиус Земли
справедлива только при gт=const, т. е. где наблюдается линейная зависимость
εr T(h).
При нелинейной зависимости εr T(h) радиус кривизны меняется от
точки к точки и введение единого эквивалентного радиуса невозможно.
Различают следующие виды рефракции в тропосфере.
1) Отрицательна рефракция (субрефракция)
наблюдается при gт > 0 при этом азм э < азм n(h) ↑ при ↑ h.
45

46. Рис 8.5.
2) Положительная рефракция (субрефракция) наблюдается при gт < 0,
т.е. при убывании коэффициента преломления с ↑ высоты азм э > азм.
Различают четыре случая положительной рефракции:
а) Стандартная рефракция при gт = -8*10-8 1/м, азм э = 8500км.
б) Повышенная рефракция при gт < -8*10-8 1/м, азм э > 8500км.
в) Критическая gт = -31,4*10-8 1/м, азм э = ∞, азм = ρ.
г) Сверхрефракция или волноводная рефракция gт < -31,4*10-8 1/м,
азм э< 0, ρ < азм.
Тропосферный волновод. Вероятность возникновения его очень мала.
В связи не используется. Волноводное распространение способствует
появлению помех.
8.2.3.Заключение.
Влияние рефракции на распространение радиоволн необходимо
учитывать при распространении сравнительно протяженных трасс, на
которых учитывается влияние кривизны земной поверхности. Перечислим
случаи, когда можно использовать радиус земли.
1. При определении расстояния прямой видимости вместо азм
надо ставить азм э.
2. Амплитуда напряженности поля с учетом рефракции приближенно
рассчитывается в пределах применимости формулы Введенского в
результате подстановки в формулу приведенных высот значению
эквивалентного радиуса земли. h'↑ и, следовательно, напряженность поля ↑.
3. Расчет поля в зоне тени и полутени также приводит к возрастанию
напряженности поля, т.к. вместо азм необходимо ставить азм э.
8.3.Влияние ионосферы на поляризацию волн.
Несколько слов о поляризации. На что она влияет.
В пределах ионосферы поляризация поля зависит от:
1) направления распространения волны относительно силовых линий
магнитного поля Земли;
2) электронной плотности;
3) частоты поля.
На пути распространения волны первые два параметра изменяются,
следовательно, изменяется поляризация поля.
46

47. Траектория волны
лежит плоскости
магнитного меридиана.
На рисунке показан
простейший случай
наклонного
распространения волны в
северном полушарии.
Рис 8.6.
угол магнитного наклонения = 450. Первоначально
линейно – поляризованная волна преобразуется в волну с эллиптической
поляризации при входе в ионосферу и при выходе из ионосферы становится
кривой поляризации.
Уровень сигнала, таким образом, в точке приѐма будет зависеть от вида
поляризации.
Одним из условий оптимального приѐма является согласованность
поляризаций принимаемого поля и приѐмной антенны.
Различают два случая состояния поляризации поля проходящего через
ионосферу:
1. Поляризация поля при однолучевом приѐме, что характерно для
радио линий земля-космос, работающих на прямой волне, прошедшей
через ионосферу.
2. Приѐм несколько лучей, отразившихся от родных участков
ионосферы, что характерно для линий земля-земля, работающих на
ионосферных волнах.
Рассеяние радиоволн слабыми неоднородностями диэлектрической
проницаемости атмосферы.
Ранее было показано, что εr =εr (h) и одновременно существует
подвижные локальные объѐмы с εr отличающейся на большую величину Δεr
от εr среды
Процессом рассеяния называется процесс перемещения
электромагнитного поля в неоднородной среде по направлениям, отличным
от распространения первичного поля.
Процесс отражения есть частный случай рассеяния от неоднородности
с резким перепадом εr и с размерами намного большей существенной
области для распространения.
В зависимости от свойства рассеивания различают два вида
рассеяния:
1) некогерентное;
2) когерентное.
1. некогерентное рассеяние - результат перемещения первичного поля
подвижными локальными неоднородностями εr, которые хаотично движутся
в пространстве.
47

48. Фазы передачи элементарных лучей изменяются во времени
случайным образом, и сложение лучей происходит энергетически:
2.Когерентно рассеянное поле есть регулярное сложение
элементарных лучей, фазы которых изменяются по детерминированному
закону, поэтому их сложение происходит с учѐтом фаз.
Различают рассеяния радиоволн в тропосфере и ионосфере. Первый
механизм – дальнее тропосферное рассеяние (ДТР), второй – ионосферное
рассеяние (ИР).
При оценке условий рассеяния необходимо знать ту область
тропосферы, которая участвует в формировании рассеянного поля на
данной линии. Это область называется эффективным рассеивающим
объѐмом Vрас.
ДН прм ДН прд
касательная к
Пункты приема
горизонту распологаются за линией
горизонта.
Vрас
Qрас hmin ≈ r2/(8aзмэ)
r – протяженность трассы,
aзмэ – экваториальныйрадиус
Земли.
α
Для трасс протяженностью
hmin
A (200…600)км:
B hmin = (0,6…5)км.
а змэ Линейные размеры
Vрас~ширине ДН α, а величина
Vрас~d3.
Vрас=r3d3/(4θрас), θрас≈r/aзмэ.
Рис 8.7.
Для (200…600)км θрас≈1,3…40, т.е. объем вытянут вдоль трассы.
Неоднородности бывают трех видов:
1. локальные, турбулентного происхождения;
2. инверсионные слои;
3. плавная неоднородность.
8.4.Ослабления напряженности поля радиоволн в атмосфере.
Для радиоволн длинной меньше 3-4 см (с частотой больше 7…10 ГГц)
в земной атмосфере происходит ослабления поля за счѐт поглощения в
газах. Различают нерациональное и рациональное поглощение.
Нерациональное поглощение вызывается затратой энергии
воздействующего поля на преодоления сил трения между молекулами,
48

49. которые возникают при вынужденном колебательном движении молекул
под действием поля.
Рациональное поглощение связано с тем, что по законам квантовой
механики каждая молекула может поглощать (или излучать) только свои
собственные наборы квантов энергии или соответствующие им наборы
частот.
При переходе молекул с более высокого энергетического уровня на
более низкий происходит спонтанное излучение.
Поглощения энергии внешнего поля молекулами происходит при
совпадении частот поля с одной из дискретных частот внутри
молекулярных переходов, в результате молекула переходит в более
высокое энергетическое состояние.
Из всех составляющих атмосферного газа в радиодиапазоне
расположены спектры поглощения только О2 и Н2О – водяные пары.
Ослабления напряженности поля в кислороде и воде измеряются
модулем множителя ослабления:
(8.15.)
где δ(r) - коэффициент ослабления на единицу пути.
δ(r) = F(давление, температура и влажность воздуха)
r – путь, проходимый волной в области атмосферы.
Для учѐта неоднородности вводят понятие эффективной длины
трассы и величину Vr в дБ представляют в виде суммы:
(8.16.)
где и - погонные ослабления [дБ/км] при горизонтальном
распространении волны;+
и - эффективные длины трасс для водяного пара и кислорода.
Рис 8.8.
H2O поглощает на f=22ГГц; 183ГГц; 320ГГц.
О2 поглощает на f=60 и 120ГГц.
49

50. Эффективные длины трасс и учитывают неравномерное
поглощение вдоль трассы.
Частотный диапазон волн, испытывающих поглощение в газах,
применяется на наземных линиях связи протяженностью примерно равной
прямой видимости r≤(40..70) км и на космических линиях.
На наземных линиях работа ведется на земной волне.
земная волна
Рис 8.9.
Поэтому принимают, что и - зависят от продольного
распределения газов, которые равномерны (при отсутствии осадков)
Принимают = 2= r - геометрическая длина трассы.
На космических линиях:
ЭМВ
В
Рис 8.10.
Волна проходит всю толщу тропосферы, стратосферы и ионосферы.
Распределение О2 и Н2О меняется с высотой, кроме того, меняется
rmin при B=900.
По данным МККР для таких траекторий:
(900)= 2 км , (900)= 4 км
Увеличение эффективной длины трассы при наклонном
распространении оценивается следующим соотношением:
, (8.17.)
0 0 0
где rэ(90 )=rH2O(90 ) или rO2(90 ).
Кривые ослабления на разных частотах при разных углах Δ:
50

51. Рис 8.11.
8.4.1.Ослабление в осадках
Гидрометеоры – водяные пары, дождь, туман, облака, град, снег –
причина ослабления напряженности поля радиоволн.
Ослабление вызывается:
Нерезонансным поглощением в частицах;
Рассеянием энергии на частицах.
Ослабление за счет осадков оценивается модулем множителя
ослабления Vгм дБ.
Vгм = γгм rэгм, где γгм – ослабление в гидрометеорах [дБ/км] на трассе,
проходящей вдоль Земли; rэгм эффективная длина трассы.
Из всех осадков наибольшее ослабление дает дождь и мокрый снег.
Вероятность их появления мала. В граде несколько процентов от ослабления
в дожде той же интенсивности. Ослабление в тумане и облаках невелико, но
большая их протяженность дает большие ослабления. Ослабление в осадках
начинает сказываться при f >6ГГц (λ<5см.) и особенно существенно влияют
на f >10ГГц.
Погонное ослабление в дожде на разных частотах при интенсивности
дождя Jg = const:
8.4.2.Деполяризация радиоволн.
На f >10ГГц наблюдается деполяризация волны. При этом поляризация
волны меняется так, что энергия волны с основной поляризацией
«перекачивается» на волну с ортогональной поляризацией.
Основные причины деполяризации поля – отличие формы дождевых
капель от сферической и их наклонное падение из-за ветра и конвекционных
потоков.
Степень деполяризации характеризуется коэффициентом
51

52. деполяризации: . КП = - 0,4 Vд - 35,5 – связь коэффициента
деполяризации с коэффициентом ослабления в дожде. -15дБ ≥ Vд ≥ -50дБ.
КП – подвержена случайным изменениям.
8.4.3.Ослабление в тумане и облаках.
Ослабление в тумане и облаках зависит от количества воды в единицу
объема, от температуры воздуха и от частоты ЭМВ.
Множитель ослабления Vт.о = γт.о rт.о, где γт.о – погонное ослабление,
γт.о=Кт.о Мт.о; Кт.о – удельное погонное ослабление, [м3 дБ/(км г)]; Мт.о –
водность [г/м3].
Мт.о для различных облаков различна.
Мср т.о ≈ 0,25 г/м3. Для многослойных
облаков Мт.о = 0,1г/м3 ; для кучевых
Мт.о =8г/м3
Рис 8.12.
rт.о – путь в тумане и облаках. Для наземных линий rт.о = rтрассы. Для
космических линий: rт.о (Δ)=lт.о cosecΔ, где lт.о – вертикальный размер зоны
тумана, lт = (0,3…2,3)км и зоны облаков lо ≤10км.
8.5.Искажение сигналов.
Искажение сигналов происходит по двум причинам:
1. флуктуирующая многолучевость;
2. дисперсионные свойства ионосферы.
На космических линиях играет роль только дисперсия.
Рассмотрим флуктуирующую многолучевость. Информация в пределах
полосы частот 2Δf от f0-Δfmax до f0+Δfmax причем f0>Δfmax.
Все спектральные составляющие сигнала распространяются с
одинаковыми скоростями и по одинаковым траекториям. Искажения сигнала
определяется условиями распространения по крайним траекториям:
rmin – самая короткая,
rmax – самая длинная.
Δfmax = fmax - fmin – время запаздывания. Величина Δfmax определяет
сдвиг фаз между интерферирующими составляющими:
на fнес. Δθ0 = 2πf0Δtmax,
на верхней боковой Δθб = 2π(f0+ Δfmax)Δtmax.
52

53. В процессе случайных флуктуаций времени запаздывания величины
Δθ0 и Δθб принимают случайные неравные значения.
Если Δθ0=π, а Δθб=2π, то произойдет ослабление несущей и усиление
амплитуды верхней боковой, т.е. произойдет процесс флуктуаций амплитуд.
Он происходит некоррелированно, т.е. интерференционные замирания по
своей природе частотно селективны.
Для того чтобы искажения не превышали определенной нормы, полоса
передачи должна быть ограничена.
Величину искаженной полосы можно оценить, приближенно приняв,
что при Δθб-Δθ0<<2π замирания спектральных составляющих протекают
синхронно. Это условие выполняется, если ΔfmaxΔtmax<<1 или, если
Δfmax<<1/Δtmax. Это выражение показывает, что ширина полосы частот,
которая может быть передана без искажений, зависит от максимального
времени запаздывания лучей при данном механизме многолучевого
распространения.
При передаче импульсных сигналов все сказанное выше остается в
силе, но появляется еще один аспект рассмотрения влияния многолучевости.
Рис 8.13.
В точке приема происходит задержка, то при наложении длительность
результирующего импульса отличается от исходной, т.е. возникают
временные искажения. Такие искажения вызывают ошибки при приеме
информации, особенно в тех случаях, когда время запаздывания соизмеримо
с длительностью импульса. Должно быть ηи >> Δfmax, т.е. скорость передачи
информации ограничивается условиями распространения. На ВЧ линиях
скорость ограничена значениями около 200-300бит/с.
8.5.1.Дисперсионные искажения.
Ионосфера относится к классу диспергирующих сред, в которых
εr=εr(w), cф=с0/n(w), где - коэффициент преломления среды,
с0 – скорость света в свободном пространстве.
Сигнал имеет спектр от w0+ Δwmax до w0- Δwmax. Каждой спектральной
составляющей соответствует своя фазовая скорость и соответственно, свое
время распространения. В результате отдельные составляющие достигают
точки приема с некоторыми сдвигами во времени, что и является причиной
дисперсионных искажений.
53

54. Наиболее наглядно эти искажения проявляются при импульсной
передаче, когда импульс расплывается. Степень расплытия импульса
оценивается временем установления
, где ψ(w0) - параметр, зависящий от дисперсионных
свойств среды; r – путь, проходимый импульсным сигналом с частотой w0.
η – длительность импульса.
На рисунке показан вид огибающей
импульса при разных соотношениях
η/t0. При η < t0 – импульс очень
сильно расплывается. Импульс не
будет искажаться, если η > t0.
Известно, что Δfmax=1/η и тогда
импульс с шириной спектра Δfmax<1/η
будет распространяться без
искажений.
Рис 8.14.
9.Помехи радиоприемника.
9.1.Классификация источников внешних помех.
Работа любой радиолинии происходит в условиях, когда на входе
приемника действуют помехи.
Внешние помехи:
1. шумы космического происхождения;
2. шумы, вызванные радиоизлучением атмосферных газов и
гидрометеоров;
3. шумы, обусловленные радиоизлучением поверхности Земли;
4. атмосферные помехи, вызванные разрядами молний;
5. помехи радиоизлучающих бытовых и промышленных устройств;
6. помехи станций, работающих на одинаковых или близких
частотах.
Все помехи имеют зависимость интенсивности от частоты:
Еном=Еном(w). Поэтому при расчетах учитывают не все составляющие, а
только мощные.
По своей пространственной протяженности внешние помехи можно
разделить на:
54

55. 1. дискретные (Солнце, Луна,
радиозвезды, планеты и др.)
Рис 9.1.
2. протяженные.
Рис 9.2.
9.2.Полная мощность на выходе приемника
Интенсивность внешних помех можно оценивать различными параметрами.
На частотах выше 100МГц основным параметром, используемым для этих
целей, является Тя – температура абсолютно черного тела, создающего в
пункте приема такую же спектральную плотность излучения, как и реальный
источник.
Тя = Тя (Δ,θ) – функция угловых координат.
Уровень шума на выходе приемной антенны зависит от Тя и
направленных свойств приемной антенны. Для оценки вводят понятие
шумовой температуры антенны Тша.
(9.1.)
На практике встречаются два случая:
1. В пределах ДН Тя (Δ,θ) = const.
(9.2.)
тогда Тша ≈ Тя (Δ,θ) – const.
2. Угловые параметры источника помехи <2Δθ.
Ωn < ΩA.
Тогда G(Δ,θ) в пределах телесного угла помехи постоянна, и:
, где .
Суммарная шумовая температура антенны, обусловленная действием
всех внешних источников, рассчитывается по формуле:
P′ш.вн = k Tша Δf. (9.3.)
Полная шумовая температура приемной системы определяется
формулой:
Тш = Тш пр + Тшф + Тша, (9.4.)
где Тш пр – шумовая температура входных цепей приемника;
Тшф - шумовая температура фидера;
Тша - шумовая температура антенны.
55

56. Полная мощность шумов на входе приемника определяется формулой:
Рш вх = k Tш Δf. (9.5.)
На частотах менее 100МГц интенсивность внешних помех оценивается
напряженностью поля Еп в полосе частот 1кГц:
, (9.6.)
где
Δf – полоса частот, в которой производится прием,
- действующая длина антенны,
Wф – волновое сопротивление фидера,
ηф, ηА – КПД фидера и антенны.
Мощность на входе приемника:
(9.7.)
9.3.Шумы космического происхождения.
Космическое (галактическое) радиоизлучение состоит из общего фона
и излучения дискретных источников. Общий фон имеет непрерывное
пространственное распределение и обладает непрерывным частотным
спектром.
Рис 9.3.
Яркостная температура космического фона Тяк неравномерно
распределена в пространстве (максимум в направлении Млечного пути).
На частотах выше 1ГГц Тяк очень мала.
Наиболее яркими из дискретных космических объектов является
Солнце. Также значительное радиоизлучение имеет Юпитер, Венера, Луна.
56

57. На общем фоне галактического
излучения выделяется
монохроматическое резонансное
излучение водорода с длиной волны
21см.
Рис 9.4.
9.4.Радиоизлучение атмосферы.
Основные источники радиоизлучения атмосферы являются: кислород,
водяной пар и гидрометеоры. Есть резонансное (при спонтанном переходе
молекулы из состояния с большим энергетическим уровнем на меньший
энергетический уровень) и нерезонансное (обусловлено хаотическим
тепловым движением молекул) радиоизлучения.
Резонансные частоты совпадают с частотами поглощения (см. прошлые
лекции). Характерные кривые приведены на рис.1.
С увеличением Δ Тя атм уменьшается, т.к. толщина атмосферы
уменьшается. Наличие осадков увеличивает яркостную температуру
атмосферы.
9.5.Радиоизлучение Земной поверхности.
Тя зм = Тя зм (1-R2), Тя зм = 2900К – термодинамическая температура
Земли, R – коэффициент отражения от границы Землля-атмосфера: R=f(Δ,
поляризации, частоты, ε, μ, ζземли).
ТА, обусловленная радиоизлучением Земли, зависит не только от Тя зм,
но и от ориентации и формы ДН. Для антенн с узкой ДН целесообразно
работать при углах Δ ≥ 50.
9.6.Атмосферные помехи.
Атмосферные помехи (атмосферики) обусловлены ЭМ излучением,
возникающим при грозовых разрядах.
57

58. Рис 9.5.
9.7.Промышленные помехи.
Индустриальные помехи (частоты от 1МГц до 100МГц):
Промышленные установки;
Транспорт;
Бытовые устройства;
Медицинское оборудование;
Помехи станций.
10.Распространение земной волны в диапазонах СВЧ, УВЧ
и ОВЧ.
10.1. Область применения.
Частоты СВЧ, УВЧ и ОВЧ широко применяются в наземных системах
связи и вещания. Большинство таких систем работает на земной волне.
Устойчивая работа наблюдается в пределах прямой видимости. Существуют
магистральные линии протяженностью несколько тысяч километров,
использующие сантиметровые и дециметровые волны. Это линии
радиорелейных станций.
Рис 10.1.
Сигнал излучателя принимается, усиливается, а затем передается – это
радиорелейная линия. Они предназначены для передачи многоканальной
телефонии и телевидения в аналоговой форме. Сейчас внедряются цифровые
радиорелейные линии. Радиорелейные линии работают на частотах более
10ГГц с канальной полосой до 100МГц.
Системы телевидения и звукового вещания работают в метровом
диапазоне, а сейчас выделяют дециметровые волны – устойчивая работа
58

59. ограничена прямой видимостью (для увеличения r увеличивают высоту
подвеса антенн).
10.2.Поля над гладкой Землей с учетом рефракции.
Поле в освещенной зоне при малых углах возвышения траектории
отраженной волны. Диапазон такой, что h1 и h2 >λ. Весь путь
распространения волны делит на 3 зоны:
1. освещенную;
2. полутени;
3. тени.
В освещенной зоне существуют прямая и отраженная от Земли волны,
и поле имеет интерференционную структуру.
Расчет Е в этой зоне базируется на интерференционной формуле.
(10.1.)
Также выполняется условие: h1 + h2 << r, где r – длина радиолинии,
которая близка к предельному расстоянию прямой видимости.
В этих условиях волна, отраженная от Земли, распространяется по
очень пологой траектории и угловое расхождение векторов Ēпр и Ēотр очень
мало. Δα1 = Δα (10.2.)
Внесем уточнения в (10.1.) с учетом малости Δα2. При использовании
направленных антенн соотношения амплитуд падающей и отраженной волны
определяется угловым расхождением их траектории.
По сравнению со случаем
прямолинейного распространения
изменяются r1 и r2, т.е. сдвиг фазы
 , Ė B ( ), Ė Г ( ),
R
E R
E
2
 = (r 2 r 1 ),
 , а также D -
коэффициент расходимости.
Δθ, Δ и D определяется h'1 и h'2,
которые зависит от азм. Это позволяет
свести учет рефракции к расчету Δθ,
Δ и D путем замены азм на азм э.
Рис 10.2.
(10.3.)
, где gT – градиент, εr = const.
Тогда формула (10.1.) примет вид:
59

60. P'1 – мощность, подводимая к передающей антенне.
G1 - КУ ПРД антенны в направлении АВ
r – длина радиолинии
Δrэ = 2h'1э h'2э /r – разность хода лучей
- коэффициент расходимости.
R и θ модуль и фаза коэффициент отражения при:
(10.4.)
При пологих траекториях, когда cosΔ ≈ 1 для R и R┴ упрощаются
Кроме того, для СВЧ, УВЧ, ОВЧ земная поверхность диэлектрична и
rзм . Тогда
 rзм
Модуль:
(10.5.)
(10.6.)
Окончательно формула (10.1.) примет вид:
(10.7.)
Частные случаи:
Если в пределах существенной области для отражения поверхность
Земли достаточна ровная и плоская, модуль R ≈ 1 и Dэ ≈ 1. Для таких
условий:
(10.8.)
При значительных удалениях от ПРД в пределах освещенной зоны,
когда аргумент sin < π/9, интерференционная структура поля перестаѐт
существовать. При таких значениях sin[ ] ≈ [ ] ≤ π/9 т. е. на расстояниях
' '
r ≥ 18h 1э h 2э/λ поле уменьшается монотонно обратно пропорционально
квадрату расстояния.
(10.9.)
60

61. Эта формула получена Б.А. Введенским и называется квадратичной
формулой Введенского.
Рис 10.3.
Максимумы поля располагаются на расстоянии, где
2πh'1эh'2э/(λrmax) = (2m-1) π/2, m=1, 2…
Минимальное поле, где:
2πh'1эh'2э/(λrmax) = 2m π/2, m=1, 2…
Первому интерференционному максимуму m=1, который наиболее
удален от источника, соответствует расстояние:
(10.10.)
Предел применимости формулы Введенского совпадает с границей
освещѐнной зоны и соответствует углам Δ:
(10.11.)
10.3.Приближенный метод расчета поле в зонах полутени и тени с
учетом рефракции.
В этих зонах поля описывается дифракционными формулами Фока.
Расчеты точны, но громоздки, особенно для области полутени.
На практике для СВЧ и УВЧ используется приближенный метод,
справедливый для линий на которых расстояние достаточно велико
(10.12.)
61

62. Рис 10.4.
Для частот СВЧ и УВЧ g >30 можно пользоваться g = ∞.
Окончательно зависимость V(x) при х >хпр:
(1) V(x) = Vпр(μ,g=∞) - 17.1ξ при g =∞
(2) V(x) = Vпр(μ,g=0) - 7ξ при g =0 где V и Vпр – в дБ
- параметр, характеризующий расположения
точки приѐма в зат. области.
(10.13.)
Формулы (10.1.) и (10.7.) дают точность расчета порядка 2дб, если
выполняется условие:
Для точного расчета поля в зонах полутени и тени необходимо
определить эквивалентное приведенное расстояние Хэ для эквивалентных
приведенных высот Yэ:
10.4.Расчет поля с учетом рельефа трассы и рефракции.
Постановка задачи.
Неровность земли оказывает влияния на распространения земной
волны, чем меньше λ, тем ярче выражено это явление. С понижением λ
понижается поперечные размеры существенной области распространения.
При расчете систем связи в диапазонах СВЧ, УВЧ, ОВЧ существует
два подхода к учету рельефа:
1. В пределах прямой видимости применяют детерминированные
методы учета рельефа.
62

63. Эти методы основаны на аппроксимации земных неровностей
поверхностями тел правильной геометрической формы, а в дальнейшем
расчет поля основан в освещенной зоне на интерференционном принципе, а в
зонах полутени и тени – на дифракционном. Малые неровности учитываются
введением эффективного коэффициента отражения от Земли.
В условиях среднепересеченной местности расчет ведут с помощью
статистиче0ских методов, основанных на результатах измерений F в
различных районах зе6много шара.
Понятие просвета. Относительный просвет. Классификация трасс по
степени их затенения неровностями земной поверхности.
Раньше мы вывели интерференционные и дифракционные формулы,
которые могут быть использованы для расчета поля с учетом рельефа, если
входящие в них параметры траекторий прямой и отражения волн будут
связаны с конкретным рельефом.
Надо вместо h'2 и h'1 использовать так называемый просвет H. величина
H учитывает также рефракцию, и является f(gт)
Для заданного gT:
H(gT=0) – определяют графически непосредственно из профиля трассы.
Рис 10.5.
Рис 10.6.
При этом линия нулевого уровня из окружности превращается в
параболу:
(10.14.)
63

64. Значение ΔH(gт) рассчитывается с привлечением концепции азм э.
Тогда (10.14.) превратится в:
Тогда все высоты изменяются на величину Δz = zоэ- zо; это
эквивалентно изменению просвета на ΔH(gт).
ΔH(gт) = -0,25r2gTK(1-K) (10.15.)
В условиях пересеченной местности величина просвета H(gт) служит
критерием оценки степени затемнение трассы рельефом и дальнейшем
выбора метода расчета поля.
Степень затенения трассы оценивают абсолютное значение H(gт), а его
сравнением с некоторым эталонным просветом H0.
Если H(gт) = H0 – поле в точке приема равно полю в свободном
пространстве и, что тоже самое, V = 1.
Если H(gт) ≥ H0, то в точке приема волна имеет интерференционную
структуру.
Если H(gт) < H0, то в точке приема существует одна дифракционная
волна.
Если H(gт) ≥ H0 – трасса называется открытой, то расчет поля ведут по
интерференционной формуле
H0 > H(gт) ≥ 0 – трасса полуоткрытая (полузакрытая) и расчет поля
ведут по дифракционным формулам
H(gт) ≤ 0 – трасса закрытая).
На открытых и полуоткрытых трассах H(gт) > 0; на закрытых H(gт) < 0.
При изменении метеорологических условий открытая трасса может
превращаться в закрытую и наоборот. Иногда вводят относительный просвет:
P(gт)= H(gт)/ H0.
10.5.Случайные колебания напряженности поля земной волны на
открытых и полуоткрытых трассах.
E – изменяется во времени. Эти флуктуации имеют различную
продолжительность и в единых случаях могут быть отнесены к замираниям,
в других к классу длительных отклонений величины поля от средних
значений. Во всех случаях флуктуации имеют случайный характер.
Виды замираний в зависимости от причины возникновения:
1. Субрефракционные замирания:
- сухопутные равнинные трассы
- лето, весна.
Если просвет невелик, то субрефракция может его убрать и получится
эффект затенения и понижение поля за счет дифракционных потерь.
- Продолжительность очень велика несколько минут – несколько часов
(приземные туманы)
64

65. - Глубина ослабления субрефракционных замираний может достигать
(20 – 30)дБ в широком диапазоне частот.
2. Второй вид флуктуаций, наблюдаемый на открытых трассах, имеет
интерференционное происхождение.
При некоторых значениях gт происходит противофазное сложение
полей прямой и отраженной от Земли волн и результирующее поле будет
значительно ослабленным.
- отраженная волна наиболее интенсивна на сухопутных плоских
трассах, без леса и над большими водными поверхностями.
R≈→1
- t доли секунд – десятки секунд глубина25-30 дб.
- Эти замирания обладают пространственной и частотной
избирательностью.
- диапазонов волн СМ и ДМ.
3. Третий вид флуктуации, также интерференционного происхождения.
Рис 10.7.
Неоднородности:
облака;
инверсные слои;
ионизированные слои.
Волны, отраженные от неоднородности приходят в фазе и противофазе
в точки приѐма. Изменение высоты приводит к изменению фазового
соотношения в точки приѐма.
Эти флуктуации относятся к классу быстрых замираний с частотной и
пространственной избирательностью. Глубина замираний (25-30) дБ и fср ≈
доли сек. чем короче λ и больше r, тем более вероятны эти замирания.
Они наблюдаются при λ <(10-15) см.
4. Четвертый вид нерегулярного ослабление поля связан с появлением
осадков на линии. Это для f>10 ГГц .
5. На сильно открытых морских и высокогорных трассах наблюдаются
специфические замирания продолжительностью от нескольких секунд до
нескольких десятков минут.
65

66. Полагают, что причиной таких замираний является экранирующее
действие слоистых неоднородностей и интерференции волн,
переизлучившиеся от этих неоднородностей.
11.Распространение земной волны и условия работы
радиовещательных систем в диапазонах ОВЧ и УВЧ.
Большая ѐмкость диапазонов ОВЧ и УВЧ позволяет использовать их
для передачи широкополосных вещательных - программ телевидения и
звуковое вещание с частотой модуляций.
Специфика. 1ПЛД → много приѐмников случайно распределенных на
некоторой территории. Прием зависит от рельефа. Среднее значения
изменяется в зависимости от климатических условий.
В результате в сети вещании принято оценивать Е вероятностными
характеристиками, основанными на измерениях.
Учитываются только медленные флуктуации, быстрые не учитываются
из-за инерционности слуха и зрения.
Параметрами для статистических хар-к поля служит Δf, климат района,
средния условия рельефа, процент времени наблюдения, процент приѐмных
пунктов, в которых может наблюдаться данная Е.
Е определяет с помощью кривых, рекомендуемых МККР.
дб Величина Е, определяемая из
этих кривых, превышает в 50 %
60
приѐмных пунктов в течение 50,10,1
40
% времени.
20
t=50% Кривые построены для
0 эквивалентного излучаемой
t=1%
-20
t =10% мощности 1 кВт. При h1=300 м и
h2=10 м Е в дб относит 1 мкВм.
-40
Такие же кривые имеются и для
200 400 800 r, км УВЧ (450-1000)МГц.
Рис 10.8.
11.1.Зона обслуживания вещательного передатчика.
Полезной зоной для ПРД или зоной обслуживания называется
территория, в пределах которой приѐм вещания на массовом приѐме
аппаратуры на границе зоны осуществляется с заданным качеством в течение
90% времени в 50 % приемных пунктов.
По аппаратурным показаниям в течение 10 % времени допускается
наличие заметных помех.
Качества приѐма оценивается разными параметрами в зависимости от
вида помех.
66

67. Помехи делят на группы:
1) природные;
2) промышленные.
Для качественного приема вещания с учѐтом помех в пределах зоны
обслуживание должно выполнятся условие:
Епол≥Епол min (11.1)
Епол – напряженность полезного сигнала;
Епол min – минимально допустимая напряженность поля полезного
сигнала при заданном отношении сигнала к шуму Uпол/Uш в полосе частот
ΔfкГц.
При расчѐте вещательных сетей нормируют не Uпол/Uш, а Епол.
Различают два случая:
а) если граница обслуживания проходит в сельской местности, то в
диапазоне ОВЧ и УВЧ значения Епол min определяется внутренними шумами
приемника и космическими шумами.
Для телевидения Епол min =300..700мкВ/м.
Для звукового вещания Епол min =200 мкВм.
б) второй случай относится к приѐму в городах, где больше уровень
промышленных помех.
Епол min =5000 мкВм для телевидения и 1000..3000мкВм для звукового
вещания.
Для качественного приѐма вещания при наличии помех станций
должно выполняться условие:
Епол≥АЕном (11.2.)
А - коэффициент необходимого защитного отношения на выходе
приѐмника;
Еном - суммарная напряжѐнность поля мешающих станций.
«А» устанавливается путем массового опроса слушателей.
Обычно на границе полезной зоны АЕном >Епол min.
Основной задачей проектирования вещательной сети является такое
распределение вещания передатчика по обслуживаемой территории, при
котором на границах мощных зон:
АЕном = Епол min. (11.3.)
11.2.Влияние местных предметов на распределения поля в близи
ПРМ антенны.
Условия приѐма на милли и более коротких длинах волн зависит от
расположения ПРМ антенны относительно окружающих их предметов и
местных неровностей рельефа.
67

68. дифракция
очень
ослабленнные
проникновение волны
Апрд Апрм
Рис 11.1.
При распространении ЭМ волны сквозь лес ослабление единицы или
десятки дБ/км, которая увеличивается с увеличением частоты.
Действие окружающих предметов как источников отражения волн
может проявиться в виде двух явлений: неравномерного распределения
амплитуды поля в пространстве из-за интерференции отражѐнных волн или
запаздывания сигналов, если предмет достаточно удалѐн от приемной
антенны.
Большое влияние для горизонтальной поляризации оказывают большие
горизонтально расположенные предметы. Поэтому в городе телевизионный
сигнал имеет горизонтальную поляризацию.
12.Распространение волн СВЧ, УВЧ, ОВЧ за пределы
прямой видимости.
12.1.Дальное тропосфере распространение (ДТР)
Основано на рассеяние радио волн на слабых неоднородностях.
Используется для систем радио связи (только). Тропосферные линии
строятся по релейному принципу, но в отличие от РРЛ шунты при ДТР
располагаются в глубокой зоне тени r=150…1000 км.
Приѐм сопровождается глубокими общими и селективными
замираниями. Последние являются причиной искажения сигналов и
ограничения неискаженной 2Δf передачи информации.
Линии ТРРЛ используются в основном для передачи телефонии и
телеграфии.
ПРД - от несколько сотен ватт до 50 кВт
ПРМ - с малошумящими параметраметрическими усилителями.
Антенны размера до (40 x 40)м КУ = 50-55 дБ.
Системы сдвоенного и счетверѐнного разнесенного приѐма по
пространству и частоте.
68

69. 12.2.Долгосрочные медианные значения уровня сигнала
Количественная оценка свойств поля ДТР базируется на регулярной
обработке экспериментальных данных, поскольку сведений о
статистических характеристиках слабых неоднозначных εтр недостаточно.
V
V
VM
характер
VMM изменения
уровня
сигнала при
ДТР
∆T
Рис 12.1.
Уровень сигнала непрерывно изменяется.
Случайный характер распределения уровней сигнала делает
необходимым использование вероятностных оценок условий приѐма.
Кроме случайных изменений наблюдается также регулярные изменения
среднего значения уровня сигнала.
Регулярные изменения среднего уровня сигнала оценивают
медианным значением за месяц, так называемой долгосрочной или месячной
медианой, которой соответствует Vмм.
Месячная медиана есть функция многих параметров, связанных с
условиями рассеяния.
1) Vмм = f(r) – месячное медианное значение уровня сигнала
быстро убывает с ростом r радиолинии, что объясняется двумя
причинами:
Q 2 рас
Q1 рас
B1
A B
2
Угол и объем рассеяния при ДТР на трассах
разной протяженности.
69

70. Рис 12.2.
Увеличение r сопровождается ростом угла θ рассеяния и смещение
эффективного объема рассеяния вверх, где интенсивность неоднородностей
уменьшается.
Обе причины способствуют быстрому падению напряженности поля.
Поэтому rтрассы выбирают примерно (300…400)км.
При наличии препятствия угол рассеяния изменяется от θрас над
гладкой землей до θ’рас, которой соответствует так называемая
эквивалентная длина трассы rэ.
О2
Q рас = Q рас + γ1 + γ 2
Q рас
γ1 О1
γ2
С1 С2
А В
А1 В1
Q рас
γ1 γ2
Q рас
Рис 12.3.
(12.1.)
Для стандартных условий рефракции, когда азмэ = 8500 км
rэ = r + 148(γ10 + γ20), где rэ в [км]. (12.2.)
2)V=θ(f) - выражена слабо.
3)V=f(КУ антенны) или (2Δθ0).
Прямая пропорциональность увеличения мощности на приѐмном
пункте с увеличением G1 и G2 наблюдается до G=30 дБ. При дальнейшем
росте КУ прямая пропорциональность не соблюдается, рост мощности на
приѐмной антенне растет не так быстро как G1 и G2. Чем выше G, тем
больше отстаѐт прирост мощности на приѐмном пункте. Такое отставание
называют «потерей усиления» антенн и объясняют это двояко:
а) увеличение площади антенны приводит к не когерентности
сигналов по всей площади антенны, то есть сигнал от различных частей
антенны складывается не синфазно.
б) сужение ДН приводит к уменьшению объѐма рассеяния. Согласно
формулам интенсивность принимаемого сигнала пропорциональна размерам
рассеивающего объѐма.
70

71. дб ∆G – потеря усиления
-28
-16
-4
G1+G2
70 80 90 100 дб
Рис 12.4.
Зависимость «потерь усиления» ΔG от G1+G2 на линиях ДТР
4) Vмм =f(сезона года, климата)
Определяющими являются зимние месяцы, так как это наихудший с
точки зрения уровня принимаемого сигнала период.
Зимой сигнал на одних и тех же трассах на (8-15)дб < летних.
VMM дб
-60
-90 f=0,1ГГц
f=3-4 ГГц 2 0,4-0,6
0,8
-120
0 900 rэ
Рис 12.5.
Зимние месяцы с умеренным климатом и антенны с G≤30дБ
(слабонаправленные). Для определения Vмм для остронаправленных антенн
необходимо к значениям из графика (см. выше) добавить ΔG для
соответствующего значения G1+G2.
Уровень сигнала подвержен медленному замиранию, на который
налагаются быстрые флуктуации. Они описываются различными законами,
так как обуславливаются редкими причинами.
Медленно – интерференцией фаз,
Быстро – изменением фаз.
Медленное замирание в случае суммирования медианных значений
уровней сигналов или Vм, вычисляют за интервал времени от (1-10)мин до 1
часа. ΔТ выбирается так, что медианный уровень в точке этого времени =
const.
Глубина оценки отклонения Vм от Vмм.
Δ Vм = 20lg(Vм / Vмм)
71

72. ζм дб
7
G>50дб
3,5
45дб
30дб
1
100 900 rэ
нормально логарифмический закон
Рис 12.6.
Зимние месяцы в умеренном климате закон изменения связан со
следующим свойством процесса рассеивания: чем больше rэ и выше
рассеивается объѐм на больших высотах параметры неоднородности более
стабильны, поэтому ζм уменьшается с увеличением rэ.
При малых высотах (малые размеры рассеивающего объема)
небольшие изменения параметров неоднородности сильно изменяют
условия рассеивания, что соответствует большему ζм в летний месяц r
больше, чем rзимой, но быстрые замирания.
13.Распространение радиоволн на линиях Земля-ИСЗ
(особенности спутниковой связи)
ИСЗ
Hc r max
∆min
A B
γ
Рис 13.1.
Все большее применение находят линии З-ИСЗ-З. Такие линии относятся к
типу космических. Эти линии имеют ряд особенностей, которые необходимо
учитывать.
1) Установлено, что оптимальная высота полѐта ИСЗ от 10000 до 40000 км;
2) f>100 МГц (длина волны <3м) они не отражаются от ионосферы;
72

73. 3) Для описания условий распространения требуется более конкретные
сведения о частных полосах, так как при переходе от м к дм и см и далее к
мм волнам процессы распространения усложняются;
4) До настоящего времени фиксированная спутниковая связь работала в
различных диапазонах Δf диапазона (1-10)ГГц (30-3) см. В этом же
диапазоне рассчитывают и другие системы: службы космических
исследований, метеорологии, исследования земли, подвижной связи и
навигации.
2) Поэтому сейчас разрабатываются системы, работающие на f>10ГГц.
3) Сейчас большинство внутренних и международных спутников линии
связи работают в полосах 64 и 87 ГГц.
Числитель соответствует линии З-ИСЗ
Знаменатель соответствует линии ИСЗ-З.
В более высоких частотных диапазонах выделены полосы 1412, 3020 ГГц.
7) Основные явления, сопровождающие распространение радиоволн таких
частот сводятся к:
а) затухание в атмосферных газах;
б) затухание в осадках;
в) изменения поляризации поля за счѐт эффекта Фарадея;
г) случайные флуктуации амплитуды и фазы принимаемого поля;
д) вариация углов приѐма;
е) ограничение полосы частот, передаваемой без искажения.
8) На f<10ГГц работают и наземные службы. Для совместной работы
космической и наземной линии введена предельно допустимая плотность
потока мощности, создаваемая бортовыми передатчиками у поверхности
земли. Предельная плотность потока мощности 140-150 дбм (10-14-10-
15
)Вт/м2 в полосе 4ГГц. Это очень слабый сигнал. Приѐм столь слабых
сигналов является основной особенностью космической линии связи, т.е.
внешние и внутренние шумы должны быть очень малы.
9) Условия приѐма в положениях 1,2,3 разные
исз
исз
3
2
1
исз
Рис 13.2.
Как правило, спутниковые линии связи работают при Δ > 50 до 900.
10) При приѐме сигнала со спутника наблюдается эффект Доплера.
73

74. Доплеровское смещение частот является причиной искажения спектра
сигнала.
13.1.Потере в тракте распространения
(основные потери передачи)
При высотах (10000-36000) км длинна трассы будет составлять (17000-
40000)км. Потери на f=3ГГц (от 185 до 193)дб, на f=30ГГц (от 205 до 214)дб
- очень большие потери.
Для компенсации таких потерь необходим высокий энергетический
потенциал линии, который обеспечивается сложным наземным
оборудованием. При расчѐте энергетики определяют основные потери для
rмах между ИСЗ и наземным пунктом при минимально-допустимом
значении Δmin.
, где H=Hc+азм (13.1.)
(13.2.)
Для случая эллиптической орбиты Hс=Hа, где На - высота апогея.
13.2.Ослабления и деполяризация волн в тропосфере.
Ослабления в тропосфере складывается из потерь в газах, рассеяния и
ослабления в дожде, тумане и облаках.
Поглощения в газах: в диапазоне f 1-10 ГГЦ при Δ>5 невелико, однако
при росте частоты ослабление быстро растѐт и на частоте 20 ГГц Vгаза=-10
дБ.
Ослабления в дождь: согласно ранее рассмотренным вопросам
незначительно на f<6 ГГц при любой интенсивности дождя, но на f>10ГГц
даже в условиях умеренного дождя ослабление составляет единицы дБ,
достигая при ливнях десяти дБ. Для уменьшения потерь в дожде
необходимо Δ увеличить и приѐмные пункты разносить по пространству на
столько, чтобы зоны сильных дождей на них действовали по отдельности.
В интенсивных осадках наблюдается явления деполяризации, Это
явление следует учитывать при работе на частоте не меньше 10 ГГЦ
Необходимо создавать два канала, работающих на одной частоте с
ортогональными поляризациями.
13.3.Тепловые и поляризационные потери, связанные с прохождением
радиоволн через ионосферу
В ионосфере потери передачи обусловлены еѐ конечной проводимостью
и определяются по формуле:
74

75. (13.3.)
ru - протяженность пути сигнала в ионосфере;
Pru=0 - мощность сигнала при вхождении в ионосферу;
Pru - мощность сигнала при выходе из ионосферы;
Гu(ru) - интегральный коэффициент поглощения.
При средних условиях состояния ионосферы:
и при f>100MГц Lu не превышает 0,25дБ.
Тепловые потери в ионосфере учитывают только на частоте меньше
100ГГц.
Поляризационные потери обусловлены рассогласованием поляризации
принимаемого поля и приемной антенны в результате эффекта Фарадея.
Перемещение ИСЗ, а так же изменение параметров ионосферы являются
причиной непрерывного изменения угла поворота ψф плоскости
поляризации принимаемого поля:
(13.4.)
, где ψф max в градусах, f – Гц.
Расчѐты показывают, что на частоте 100 МГц ψф max составляет тысячи
градусов, а на частоте 3 ГГц уменьшается до единицы градусов. Поэтому
поляризационные потери учитываются на f<3ГГц.
Абсолютная величина потерь в дБ:
(13.5.)
Lф дб
Мера борьбы – использование
∆=900 антенны с круговой поляризацией
2 Lф =0.
Круговая-линейная Lф =3дБ.
00
1
0
0.5 1 3 5 f, ГГц
Рис 13.3.
13.4.Внешние шумы, влияющие на работу космических линий
1. На наземных линиях чувствительность приемных устройств
ограничивается внутренними шумами приемника.
2. Космические линии связи работают с очень малыми сигналами.
75

76. 3. Входные цепи приѐмника охлаждают жидким азотом или гелием.
4. Тпрм=(10-300)К, а это уже соизмеримо с атмосферными шумами, а в
неблагоприятных случаях на много превышают.
Таблица 13.1.
Большое Очень сильно
Прозрачное Большие шумы
космическо возрастают шумы
окно атмосферы атмосферы и
е излучение
достигают
1ГГц 10ГГц (20…30)ГГц
(200…300)К
При оценке атмосферных шумов необходимо учитывать, что их уровень
на входе ПРМ уменьшается по мере подъѐма ДН над линией горизонта.
При увеличении Δ, путь, проходимый волной падает и соответственно
объѐм, в пределах которого заключены излучающие молекулы
атмосферного газа, что и является причиной уменьшения шума на входе
ПРМ.
При углах Δ< (5-7)0 очень редко возрастает шумовая температура, т.к.
складываются шумы земли, и излучение земли поступает
76