Класифікація радіочастот та радіохвиль

Примітка. Діапазони частот включають найбільшу і виключають найменшу.

За способом поширення розрізняють чотири типи хвиль: прямі, поверх­неві (земні), тропосферні й просторові (іоносферні). Схематично вони зо­бражені на рис. 12.1. Визначення кожного із цих типів хвиль випливає з механізму їх поширення.

Прямими називають хвилі, які поширюються у вільному просторі (тобто в просторі, не заповненому ніякою речови­ною) прямолінійними траєкто­ріями. З визначення випливає, що зв'язок прямими хвилями можливий на трасах типу Космос-Космос. Однак на практиці прийнято вважати, що траси Земля-Космос, Космос-Земля (на рис. 12.1 між точками А та В) також забезпечуються прямими хвилями, хоч атмосфера Землі й має невеликий вплив на умови поширення. Зменшення амплітуди поля прямих хвиль пов'язане не з наяв­ністю втрат (поширення відбувається у вільному просторі), а з природним сферичним розсіюванням енергії.

Розглянуті типи трас нині не є головними для систем зв'язку. У більшос­ті випадків приймальна й передавальна антени розміщуються на поверхні Землі або безпосередньо біля неї. Зрозуміло, що впливати на поширення хвиль крім напівпровідникового ґрунту буде й атмосфера, яка є неоднорід­ним середовищем.

Радіохвилі, що поширюються безпосередньо над поверхнею Землі й час­тково огинають опуклість земної кулі внаслідок дифракції, отримали назву поверхневих або земних хвиль. На рис. 12.1 це хвилі між точками А і D. З курсу фізики відомо, що дифракція спостерігається тоді, коли перешкодою на шляху хвилі є кульовий сегмент. Висота останнього залежить від відстані між кореспондентами, тому зрозуміло, що чим більша робоча довжина хвилі, тим на більшу відстань вона може поширюватись за рахунок дифракції. Дифрагуючи навколо сферичної поверхні Землі, поверхнева хвиля частково поглинається напівпровідниковою землею, поглинання якої залежить від структури ґрунту (пісок, глина, каміння й т. ін.) та його вологості. Атмосфера Землі має невеликий вплив на умови поширення цієї хвилі. На поширення тропосферних та просторових (іоносферних) хвиль основний вплив має атмосфера Землі. Під атмосферою розуміють газоподібну оболонку Землі, яка сягає висоти 800-1000 км. В атмосфері можна виділити три основних шари: тропосферу - приземний шар заввишки 10-14 км; стратосферу - шар до 60-80 км; іоносферу - іонізований шар повітря малої густини над страто­сферою, іоносфера переходить у радіаційні пояси Землі.

Однак кожен із шарів не можна вважати однорідним середовищем. Так, електричні параметри тропосфери залежать від висоти над поверхнею Землі. Крім того, у ній неперервно віють вітри, що переміщують величезні повітря­ні маси і тим самим збільшують її неоднорідність.

Іоносфера підпадає під вплив сонячного випромінювання, потоку заря­джених космічних часток та пилу, і це викликає розщеплення молекул на електрони та іони. Концентрація іонів та електронів на різних висотах різна. В іоносфері можна виділити чотири шари: шар D - висота 60-90 км, концен­трація електронів не більше за 10³ ел./см³; шар Е - висота 110-130 км, кон­центрація електронів – 2∙10⁴ - 10⁵ ел./см³; шар F₁ - висота 200-300 км, кон­центрація електронів – 10⁵ - 5∙10⁵ ел./см³; шар F₂ – висота 300-400 км, концентрація електронів – 5∙10⁵ - 10⁶ ел./см³. Стан іоносфери неперервно змінюється, при цьому спостерігаються як періодичні, так і випадкові зміни. Області шарів характеризуються добовою періодичністю зміни концентрації електронів і висоти розміщення, при цьому значення іонізації є різним у літній та зимовий періоди.

Ці особливості тропосфери та іоносфери мають значний вплив на харак­тер поширення в них хвиль. У неоднорідному середовищі через різні швид­кості поширення хвиль у різних за властивостями об'ємах у першу чергу спостерігається скривлення або заломлення хвиль, яке називається рефракці­єю. Крім того, на неоднорідностях відбувається розсіювання енергії радіо­хвиль у різних напрямках, у тому числі й у напрямку на точку приймання.

Радіохвилі, що поширюються на значні відстані (до 1000 км) за рахунок розсіювання на неоднорідностях тропосфери, а також за рахунок явища тропо­сферної рефракції, називаються тропосферними (точки А та С, рис. 12.1). Відзначимо, що тропосфера має вплив тільки на електромагнітні хвилі завдов­жки менш ніж 10 м.

Радіохвилі, що поширюються на великі відстані й навіть огинають земну кулю в результаті багаторазового відбиття від іоносфери та поверхні Землі (в діапазоні хвиль, довших за 10м), а також хвилі, що розсіюються на неод­норідностях іоносфери (у діапазоні хвиль, коротших за 10м), називаються просторовими або іоносферними.

Механізм поширення, а отже, і тип хвиль визначаються конкретними умовами на трасі та частотним діапазоном. Розрахунок поширення радіо­хвиль зводиться до визначення напруженості поля в точці приймання при заданих потужностях випромінювання, відстанях, трасі проходження хвиль, довжині хвилі тощо.

Поширення радіохвиль у вільному просторі. Позначимо потужність, що випромінюється джерелом у точці А (рис. 12.1), через . Будемо спочат­ку вважати, що передавальна антена ізотропна, тобто випромінює енергію в усіх напрямках з однаковою інтенсивністю. У цьому випадку неважко знайти значення вектора Пойнтинга. У §7.1 показано, що значення вектора Пойнтинга характеризує густину потоку енергії, тобто потужність, яка проходить через одиничну площину. Оточимо джерело електромагнітних хвиль (точка А) замкненою поверхнею. Тоді можна стверджувати, що вся випромінювана потужність пройде крізь цю поверхню. Як замкнену поверхню зручно вибра­ти сферу радіусом , тоді

, (12.2)

де - площа сфери, що оточує джерело.

Згідно з виразом (7.15), вектор Пойнтинга визначається через векторний добуток векторів та напруженостей поля. У зв'язку з тим, що вектори та у далекій зоні джерела взаємно перпендикулярні,

, (12.3)

де , - амплітуди напруженостей електричного та магнітного полів; , - діючі (ефективні) значення цих самих величин. Напруженості електрич­ного й магнітного полів пов'язані між собою співвідношенням (7.17). Якщо підставити його у формулу (12.3), дістанемо

. (12.4)

Ліві частини виразів (12.2) та (12.4) дорівнюють одна одній, тому

. (12.5)

Вираз (12.5) справедливий, якщо антена ізотропна. Антени ж, які вико­ристовуються на практиці, випромінюють енергію нерівномірно в усіх напрямках, і це враховується за допомогою коефіцієнта направленої дії D за відношенням до ізотропного (всенаправленого) випромінювача (див. §12.3). У зв'язку з цим передавальна антена випромінює в напрямку кореспондента потужність у D раз більшу, ніж ізотропний випромінювач, і для реальної антени замість формули (12.5) маємо

. (12.6)

Усі величини, які входять до формули (12.6), виражені в СІ, що на прак­тиці не завжди зручно. Якщо подати потужність у кіловатах, відстань - у кілометрах, то напруженість поля визначається у мілівольтах на метр (мВ/м):

. (12.7)

За формулою (12.7) можна розрахувати напруженість поля, яка створює­ться передавачем із випромінюваною потужністю , кВт, на відстані , км, від джерела в разі розміщення передавальної та приймальної антен у вільно­му просторі (середовищі без втрат). Ця формула дістала назву формули ідеальної радіопередачі, тому що в ній не враховуються втрати, що виника­ють під час поширення радіохвиль у реальних умовах. Нею здебільшого користуються в разі розрахунків поширення прямих хвиль.

Множник ослаблення. Поширення радіохвиль поблизу поверхні та в атмосфері Землі супроводжується втратами енергії, що пов'язані з поглинан­ням, екрануванням, дифракцією, розсіюванням тощо. Врахування цих втрат здійснюється за допомогою множника ослаблення , який визначається як відношення поля радіохвилі під час поширення в реальних умовах до поля радіохвилі, що поширюється у вільному просторі (12.7) . Таким чином, якщо знати множник ослаблення , можна визначити поле, що утво­рюється на будь-якій реальній трасі поширення:

. (12.8)

Множник ослаблення залежить від параметрів тієї області простору, в якій відбувається поширення енергії радіохвилі. У різних випадках характер зміни параметрів середовища різний. Наприклад, діелектрична проникність та провідність ґрунту практично мало залежать від часу. Отже, множник ослаблення для поверхневої хвилі є величина постійна або слабо змінюється у часі. Водночас для тропосферної хвилі, поширення якої пов'язане з розсію­ванням на неоднорідностях тропосфери, визначити точне значення немож­ливо. Це пояснюється тим, що кількість, швидкість переміщення та парамет­ри неоднорідностей, на яких відбувається розсіювання, значною мірою залежать від часу. У цьому випадку можна визначити деяке середнє значення множника ослаблення.

На практиці застосовуються різні методи визначення множника ослаб­лення, що пов'язані, в основному, з особливостями поширення радіохвиль різних діапазонів.

11.2. ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ ПІД ЧАС ПОШИРЕННЯ

РАДІОХВИЛЬ РІЗНИХ ДІАПАЗОНІВ

Міріаметрові та кілометрові хвилі. У цих діапазонах працюють різні радіосистеми - навігації, зв'язку, радіомовлення.

Механізм поширення радіохвиль цих діапазонів визначається значним абсолютним значенням довжини хвилі - від кілометра до десятків кіломет­рів. У зв'язку із цим спостерігається досить сильна дифракція електромагні­тних хвиль навколо сферичної поверхні Землі. Завдяки поверхневій земній хвилі можливе поширення на відстань 1500-2000 км (у залежності від поту­жності передавача). Це пояснюється не тільки дифракцією, але й невеликим рівнем втрат енергії в землі, через те що на низьких частотах практично всі ґрунти за електричними параметрами можуть бути віднесені до ідеальних (хороших) провідників.

Поширюючись як просторові, хвилі цих діапазонів відбиваються від найнижчого шару іоносфери D що пов'язано з малим значенням частоти (3-300 кГц). Електромагнітні хвилі з такими низькими частотами відбиваються від іоносфери навіть у разі незначної електронної концентрації, яку має іонізований шар D. Вночі, коли шар D зникає, відбиття відбувається від більш іонізованого шару E. Оскільки шари D та E є найближчими до поверх­ні Землі, їх параметри незначно змінюються під час різноманітних варіацій сонячної радіації. Поле радіохвилі в точці приймання в цих діапазонах характеризуються стабільністю як за амплітудою, так і за фазою, що дає змогу використовувати їх в системах радіонавігації. Слід зазначити, що великий рівень атмосферних (грозових) та індустріальних радіозавад не дозволяє отримати добру якість зв'язку в цих частотних діапазонах.

Для розрахунку напруженості поля поверхневої хвилі необхідно знати параметри поверхні на трасі - відносну діелектричну проникність та пито­му провідність . Їх усереднені значення наведені в табл. 12.2. Розрахунок проводиться за виразом (12.8). При цьому множник ослаблення визначається за формулою Шулейкіна-Ван-дер-Поля:

, (12.9)

де - відносна відстань, що залежить від довжини траси та параметрів ґрунту. Формула для розрахунку вибирається залежно від співвідношення між величинами , та :

якщо порівнянна з , тоді

; (12.10)

якщо , тоді

; (12.11)

якщо , тоді

; (12.12)

Вимір усіх величин у виразах (12.10) - (12.12) провадиться в СІ.

Напруженість поля просторової хвилі 4-го та 5-го діапазонів, мкВ/м,

, (12.13)

де - потужність випромінювання, кВт; - відстань, км; - довжина хвилі, км; - геоцентричний кут між точками передавання і приймання.