КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По профессиональному модулю ПМ01

Междисциплинарный курс: МДК 01.01. Технология монтажа систем мобильной связи

Тема: «Проектирование сети сотовой связи с равномерным распределением абонентов в заданной зоне»

Специальность: 210705 Средства связи с подвижными объектами

Выполнил студент(ка) группы 3ССПО9-5(у): ___________

Проверил преподаватель: Ручко В.М. ___________

Москва 2015 г.

ГБПОУ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ №54

Согласовано

Председатель модульной

комиссии

Н.Г.Лобанова

«____»_______2015 г

На курсовое проектирование по профессиональному модулю ПМ 01

Междисциплинарный курс : МДК 01.01 Технология монтажа систем мобильной связи

Специальность: 210705, Средства связи с подвижными объектами

Студенту гр. 3ССПО9-5(у): __________________________

Тема: «Проектирование сети сотовой связи с равномерным распределением абонентов в заданной зоне»

Вариант:_____

Спроектировать сети сотовой связи с равномерным распределением абонентов в заданной зоне при следующих исходных данных:

1.Тип территории в зоне обслуживания__________________________

2.Испрользуемый стандарт сотовой связи________________________

3.Число абонентов зоне обслуживания (М сети, тыс. чел.)____________

4.Плошадь зоны обслуживания (S сети, км 2)________________________

5.Вероятность отказа абоненту в предоставлении канала в час наибольшей нагрузки(ЧНН) p от к.=0.02

6.Допустимый трафик в соте в соответствие с числом каналов A сот____

7.Средний трафик одного абонента в ЧНН, А 1 =0,015-0,025Эрл.

При выполнении курсовой работы:

1.Произвести оптимальный выбор частотных каналов

3.Найти максимальное удаление в соте абонентской станции от базовой станции

4.Определить мощность передатчика базовой станции

8.Нарисовать трассу прохождения сигнала от БС к АС

9.Нарисовать конфигурацию сети (по вариантам)

Преподаватель Ручко В.М.

Введение………………………………………………………… 4

1.Выбор частотных каналов…………………………………..

2.Расчет числа сот в сети………………………………………

3.Расчет удаления АС от БС………………………………….

4.Расчет баланса мощностей………………………………….

5.Расчет потерь на трассе…………………………………….

6.Расчет электропитания базовой станции………………….

7.Рассчет надежности сети сотовой связи…………………..

8.Литература……………………………………………………

Приложение 1…………………………………………………..

Трасса прохождения сигнала от БС к АС

Приложение 2………………………………………………….

Модель Эрланга В (система с отказами)

Приложение 3…………………………………………………..

Конфигурация сети

Введение

Проектирование – один из наиболее сложных и ответственных этапов развертывания систем сотовой связи (ССС), поскольку он должен обеспечить возможно более близкое к оптимальному построение сети по критерию эффективность-стоимость. При проектировании необходимо определить места установки БС и распределить имеющиеся частотные каналы между ячейками (составить территориально-частотный план в соответствии с принципом повторного использования частот) таким образом, чтобы обеспечить обслуживание сотовой связью заданной территории с требуемым качеством при минимальном числе БС, т.е. при минимальной стоимости инфраструктуры сети. Фактически эта задача очень сложна. С одной стороны чрезмерно частая расстановка БС невыгодна. Так как влечет за собой неоправданные затраты. С другой стороны, слишком редкое расположение БС может привести к появлению необслуживаемых участков территории, что недоступно. Задача дополнительно осложняется трудностью аналитической оценки характеристики расположения сигналов и расчета напряженности поля, а также необходимостью учета неравномерности трафика в пределах обслуживаемой территории.

В проектируемой сети обязательно производиться экспериментальные измерения характеристик электромагнитного поля, и по результатам измерений схема сети также корректируется. Необходимый объем экспериментальных измерений, и частота их повторения определяется на основании опыта проектировщиков. Окончательно качество проекта оценивается уже на этапе эксплуатации сети, где также неизбежны его корректировка и доработка, особенно в самом начале работы, когда производятся настройка и оптимизация сети. Этот этап работы фактически оказывается наиболее трудоемким. Доработки проекта требуются по мере развития и совершенствования сети, для повышения ее качества.

Качество услуг, предоставляемых ССС, во многом определяется характеристиками ее подсистемы БС. В процессе планирования сети БС решаются следующие задачи: обеспечения радиопокрытия территории, на которой должны предоставляться услуги связи; построение сети, емкости которой будет достаточно для обслуживания создаваемого абонентами трафика с допустимым уровнем перегрузок; оптимизация решения указанных выше задач (с использованием минимального числа сетевых подсистем и элементов) на протяжении всего цикла сети.

Без решения перечисленных задач нельзя обеспечить высокое качество предоставляемых услуг. Согласно определению Международного союза электросвязи (МСЭ), под качеством обслуживания понимают – совокупный эффект от предоставления услуг, который определяет степень удовлетворения ими абонента. Кроме технических аспектов качества работы сети в это определение включены и аспекты, связанные с предоставлением дополнительных услуг (например, таких, как передача коротких сообщений), стоимостью обслуживания, ценой и качеством работы мобильных терминалов и т.д.

На протяжении всего жизненного цикла сети число ее абонентов, объем трафика и его распределение по обслуживаемой территории постоянно изменяются. Кроме того, существуют сезонные (периодические) изменения объема трафика и его территориального распределения. Конфигурация сети БС должна адаптироваться к происходящим изменениям, поэтому ее планирование – это непрерывный процесс. В нем можно выделить несколько этапов: планирования радиопокрытия; планирование емкости; частотное планирование; анализ работы и оптимизация сети.

Такое поэтапное деление в значительной степени условно, так как все этапы тесно взаимосвязаны между собой. Последовательность этапов планирования сети БС показана на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1. Этапы планирования сети БС

На этапе планирования радиопокрытия определяется минимально необходимое число БС (сот), их оптимальное расположение на местности и радиотехнические параметры для обеспечения радиопокрытия заданной территории с требуемым уровнем мощности радиосигнала, принимаемым мобильным терминалом.

Модели распространения радиоволн

Условия распространения радиоволн включают 5 моделей:

• статическая модель (STATIC);
• для сельской местности (Rax);
• для холмистой местности (НТх);
• для типичной городской застройки (Tux);
• для плотной городской застройки (Bux).

В моделях с динамическими (Rax, HTx, Tux, Вuх) оговорены два варианта изменения пара­метров, которые соответствуют условиям движения автомобиля в городе со скоростью 50 км/ч и в сельской местности - 200 км/ч. Например, изменение радиосигнала на входе приемника авто­мобильной радиостанции, движущийся со скоростью 200 км/ч в условиях холмистой местности, описывается моделью НТ200.

Дополнительно предусмотрена модель для тестирования эквалайзера (Eqx).

Статическая модель характеризуется отсутствием амплитудных и фазовых искажений сигнала.

Модель распространения сигнала в сельской местности описывает флуктуации сигнала рас­пределением Райса и имитирует постоянный доплеровский сдвиг частоты.

Условия распространения сигнала над холмистой местностью предполагают отсутствие пря­мой радиовидимости между приемником и передатчиком, а также наличие достаточно удаленных переотражающих объектов. Такие условия описываются двулучевой моделью со средним соотношением уровня лучей минус 8,6 дБ и средней задержкой сигнала во втором луче на четверть символа. Флуктуации сигнала на входе приемника описываются законом Релея.

Модели распространения сигнала в городских условиях предполагают отсутствие прямой ра­диовидимости между приемником и передатчиком, и наличие большого количества переотра­жающих объектов. Данный случай также описывается двулучевой моделью, но с другими амплитудными и временными соотношениями. Например, задержка между лучами составляет при­близительно 1/10 символа, то есть сигнал на входе приемника практически не испытывает меж­символьных искажений.

Модель для тестирования эквалайзера применяется только для тестирования аппаратуры класса Е. В данной модели флуктуации сигнала на входе приемника имитируются релеевскими замираниями по четырем лучам с задержкой сигнала в лучах до двух символов.

3.2.1. Основные свойства радиоволн

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3.2.2. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов

В зависимости от условий распространения радиоволны делятся на диапазоны:

__________________________________________________________________

диапазон длина волны частота

________________________________________________________________________________

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

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

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

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

ультракороткие (УКВ) <10 м >30 МГц

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

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

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

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

Распространение радиоволн

Радиоволны – это электромагнитные волны, диапазон частот которых изменяется в пределах Гц. Такое ограничение диапазона сделано условно. Указанный спектр частот принято классифицировать по соответствующим диапазонам (таблица 5.1).

Таблица 5.1. Классификация радиоволн по диапазонам.

Нижняя граница		Диапазон	Верхняя граница
		Радиоволны инфразвуковых и звуковых частот
		Сверхдлинные волны (СДВ)
		Длинные волны (ДВ)
		Средние волны (СВ)
		Короткие волны (КВ)
		Ультракороткие волны:
		метровые (МВ)
		дециметровые (ДМВ)
		сантиметровые (СМВ)
		миллиметровые (ММВ)
		Оптические волны:
		инфракрасные (ИКЛ)
	(0,75 мк = 7500 А)	видимый свет
	(0,4 мк = 4000 А)	ультрафиолетовые (УФЛ)		(0,1 мк = 1000 А)

Часто удобно выразить частоту радиоволн не в герцах, а в производных единицах измерения. Для этого применяют следующие единицы:

1 мГц (миллигерц) =
Гц,

1 кГц (килогерц) = Гц,

1 МГц (мегагерц) = Гц,

1 ГГц (гигагерц) = Гц,

1 ТГц (терагерц) = Гц.

Предметом нашего изучения являются свободно распространяющиеся радиоволны. Под свободно распространяющимися радиоволнами понимают радиоволны, распространяющиеся в среде без направляющей системы. Волны могут распространяться в атмосфере, толще Земли и океане, но никакой линии передачи в виде жесткой конструкции не применяют.

Свободно распространяющиеся волны применяются для радиосвязи, радиолокационного наблюдения, телеуправления и решения других многочисленных практических задач. В любом случае используют линию связи, называемую радиолинией. Радиолиния включает три составные части: передатчик, приемник и среду, в которой происходит распространение волны. В радиолиниях со свободно распространяющимися волнами средой является природная среда. Именно в ней происходит распространение электромагнитных волн из пункта передачи (А) в пункт приема (В). Радиолинии классифицируют по трем типам:

Простейшая радиолиния.

Радиорелейная линия связи.

Вторичная радиолиния.

Рассмотрим признаки каждой радиолинии из приведенных типов.

Простейшая линия содержит передатчик и приемник, расположенные на ее концах (рис.5.1).

Рис.5.1 Простейшая радиолиния:

А - передатчик, В – приемник.

На рис.5.1 показано, что сигнал выходит из пункта передачи А и приходит в пункт приема В за счет отражения от слоя ионосферы, т. е. схематично показан вид односкачковой трассы.

Однако далеко не всегда можно обеспечить связь с помощью простейших линий. Часто рельеф местности является сложным и сигнал в пункт назначения может прийти за счет промежуточных релейных (трансляционных) станций. На рис.5.2 приведена схема такой радиорелейной линии связи .

Рис.5.2 Радиорелейная линия связи:

и В – оконечные станции;
- промежуточные станции.

Каждый участок радиорелейной линии связи можно рассматривать как простейшую линию связи.

Для научных исследований часто применяют вторичные линии связи , в которых изучаемый сигнал облучает некоторое инородное тело (метеор, дождевое облако и др.), что приводит к рассеянию радиоволны. Среди рассеянных радиоволн найдется волна, которая дойдет до приемника (рис.5.3).

Рис 5.3 Вторичная радиолиния:

А – передатчик, В – приемник, С – облучаемый объект.

Радиоволны можно классифицировать по способу распространения. Такая классификация позволяет выделить следующие типы волн.

Свободно распространяющиеся волны – это волны, траектория которых близка к прямолинейным траекториям.

Земные волны – это волны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли. Земные волны также называют поверхностными волнами. Они способны частично огибать поверхность Земли за счет явления дифракции.

Тропосферные волны – это волны, распространяющиеся на значительные расстояния (до ≈ 1000 км) за счет рассеяния их в тропосфере и направляющего (волноводного) действия тропосферы. Напомним, что тропосфера – это нижний слой атмосферы. Верхняя граница тропосферы соответствует ≈ 15 км, характерная особенность такой границы заключается в постоянстве температуры, т.е. grad T=0. Тропосферными волнами распространяются волны, длина волны которых λ<10 м.

Ионосферные волны - это волны, распространяющиеся на большие расстояния и огибающие земной шар за счет многократного отражения от ионосферы. Ионосферными распространяются волны, длина волны которых λ>10 м, т.е. к ионосферным волнам относят волны КВ, СВ, ДВ и СДВ диапазонов. Следует иметь в виду, что метровые волны также могут распространяться как ионосферные – за счет рассеяния на неоднородностях ионосферы и отражений от метеорных следов.

5.2. Распространение радиоволн в свободном пространстве

Пусть в свободном пространстве (однородной непоглощающей среде с ε=1,μ=1) помещен точечный излучатель, к которому подведена мощность . Такой излучатель равномерно излучает энергию во все стороны пространства, волновая поверхность распространяющейся волны представляет собой сферическую поверхность (рис.5.4).

Рис.5.4. Сферический фронт волны от точечного излучателя

После начала излучения волны радиус сферического фронта будет иметь значение r . Распространяясь, волна переносит энергию, плотность потока которой через единичную площадку за единицу времени (модуль вектора Пойнтинга) определяется формулой:

, , (5.1)

где r – радиус сферической волны.

Среднее значение плотности потока энергии за период времени Т определяют из формулы:

, , (5.2)

где -действующее значение напряженности электрического поля, -действующее значение напряженности магнитного поля.

Связь между действующими значениями напряженностей электрического и магнитного полей выражается формулой:

(5.3)

где -волновое сопротивление свободного пространства, определяемое, как известно,
Ом.

Исходя из формул (5.2, 5.3) можно для модуля вектора Пойнтинга записать:

, . (5.4)

В нашем случае речь идет об одном и том же процессе излучения электромагнитной энергии точечным источником, поэтому на основании (5.1) и (5.4) запишем равенство:

. (5.5)

Из равенства (5.5) определим:

(5.6)

где - подведенная к излучателю мощность,r – расстояние,-действующее значение напряженности электрического поля.

В реальных условиях трассы в пунктах передачи используют антенны, предназначенные для концентрации излучаемой энергии в определенном направлении, т.е. служащие направленному излучению волны. Для учета направленных свойств антенны ввели параметр – коэффициент направленного действия (КНД), выражающий степень направленности. Обозначим КНД через D. Все параметры, относящиеся к передающим устройствам, будем снабжать индексом 1 , к приемным устройствам – индексом 2 . Например, мощность подводимую к излучающей антенне в пункте передачи обозначим Р 1 , коэффициент ее направленности – D 1 , Соответствующие обозначения для приемной антенны будут Р 2 , D 2 .

Определим сущность понятия КНД. Предположим, что рядом расположены две антенны: направленная А и всенаправленная В . На рис.5.5 показаны схематично диаграммы направленности обеих антенн.

Рис.5.5. Диаграммы направленности антенн, направленной (А) и изотропной (В).

Пусть к обеим антеннам подводятся одинаковые мощности . Очевидно, что в пункте приема, находящемся на достаточно удаленном и одинаковом для обоих случаев расстоянии r 0 , напряженность поля, идущего от направленной антенны будет больше по сравнению с ненаправленной. Это обусловлено концентрацией энергии направленной антенной в требуемом направлении. Для того чтобы получить такую же напряженность поля, но от изотропного излучателя (всенаправленной антенны), необходимо увеличить мощность , подводимую к антенне.

Коэффициент направленного действия (КНД) показывает во сколько раз необходимо увеличить мощность, подводимую к изотропному излучателю, чтобы получить такую же напряженность поля в пункте приема, как создаваемую направленной антенной.

КНД является безразмерной величиной. В дальнейшем покажем, что КНД измеряют в децибелах (дБ). Учитывая направленность передающей антенны, формула действующего значения напряженности поля примет вид:

, . (5.7)

Амплитудное значение напряженности поля, пришедшего в пункт приема, находится соответственно:

, . (5.8)

Мгновенное значение напряженности электрического поля, т.е. значение поля, принимаемого в данный конкретный момент времени определяется:

,,(5.9)

где r – расстояние,
- волновое число,с – скорость света, ω – циклическая частота, - мощность, подводимая к передающей антенне,-КНД передающей антенны.

Мгновенное значение напряженности электрического поля можно записать в комплексной форме:

, . (5.10)

В приведенных выше формулах (5.7 – 5.10) физические величины измеряют в международной системе измерения СИ. Для практических расчетов расстояние лучше измерять в километрах, а не метрах, мощность – в киловаттах, а не ваттах. Поэтому, выражая мощность в киловаттах
, расстояниеr в километрах
, получим напряженность поля, выраженную в милливольт на метр(мВ/м) . Учитывая введенные единицы измерения, в формулах напряженности поля числовой коэффициент изменит свое значение. Итак, для практических расчетов действующего значения распространения радиоволн в свободном пространстве при напряженности электрического поля применяем формулу:

, . (5.11)

Для амплитудного значения напряженности электрического поля формула примет вид:

, . (5.12)

Единицы измерения входящих в формулы (5.11), (5.12) физических величин записаны в виде индексов. Передающая и приемная антенна расположены на плоской поверхности земли на расстоянии r между собой. Покажем простейшую радиотрассу в виде схемы (рис.5.6)

Рис.5.6. Схема простейшей радиотрассы.

Необходимо определить значение мощности, поступающей на вход приемника. Очевидно, что для определения требуемой мощности необходимо знать модуль вектора Пойнтинга, пришедшего в раскрыв приемной антенны
и учесть площадь раскрыва антенны, с помощью которого «собирается» вся приходящая энергия волны. Предварительно введем понятиеэффективной площади антенны
, которая в антенно-фидерной технике определяется формулой:

(5.13)

где -КНД приемной антенны, λ – длина волны. Плотность потока энергии, поступающей в раскрыв антенны
,определим на основании формулы (5.1), т.е.

Тогда мощность, поступающая на вход приемного устройства, определяется:

,
. (5.14)

При проектировании радиолиний удобно пользоваться понятием о потерях энергии, происходящих при распространении. Потери энергии определяют формулой:

(5.15)

где индекс св указывает, что речь идет о потерях при распространении в свободном пространстве. Исключим влияние антенн, т.е. положим
(обе антенны являются изотропными излучателями). Тогда из формулы (5.15) получимосновные потери энергии, связанные исключительно только с распространением в свободном пространстве.

(5.16)

Потери энергии выражают обычно в децибелах (дБ) на основании формулы:

Таким образом, получим формулу

Из формулы (5.17) видно, что направленность антенны КНД выражают в дБ. В практических расчетах любое математическое отношение можно выразить децибелах. Для КНД, выраженного в децибеллах следует использовать формулу:

дБ, (5.18)

где - мощность, равная одному ватту, т.е.=1Вт. Тогда отношениеполучается безразмерной величиной.

Рассмотрим пример .

Определить величину основных потерь при распространении электромагнитной волны в свободном пространстве в случаях:

а) длина волны
м и расстояние между пунктами связиr =10 км;

б) длина волны
см и расстояние между пунктами связиr =
км.

Решение : для определения величины основных потерь используем формулы

Расчеты показали следующие значения основных потерь:

а) =39,3 или=15,9 дБ;

б) =
или=252 дБ.

Из полученных значений заключаем, что логарифмическая шкала является более удобной в использовании, т.к. имеет существенно меньшие пределы изменения значений.

При распространении радиоволн в реальных условиях происходит поглощение энергии волны и другие потери. Например, в процессе распространения земной волной происходят потери за счет частичного проникновения волны в толщу земной поверхности. Поэтому для учета ослабления поля радиоволны в реальных условиях вводят множитель ослабления F . В этом случае расчет действующего значения напряженности поля в пункте приема производят по формуле:

, , (5.19)

где F – множитель ослабления, r – путь, проходимый волной от пункта передачи до приемного пункта. Таким образом, определить действующее значение напряженности поля на конце радиолинии можно, если будем знать значение множителя ослабления. Задача определения множителя ослабления F является главной при проектировании радиолиний.

Для расчета любой трассы необходимо правильно выбрать метод расчета множителя ослабления. В дальнейшем рассмотрим некоторые методы расчета радиотрасс.

Широко применяются радиоволны, распространяющиеся земной волной. Прежде чем приступить к изучению метода расчета множителя ослабления F для таких радиолиний, обратим внимание на особенности земной поверхности.

5.3. Учет электродинамических параметров земной поверхности

Распространение земных радиоволн происходит непосредственно вблизи поверхности, которая весьма разнообразна. Это может быть и морская поверхность, и пустыня, и лес, и застроенный город и др. С точки зрения электродинамики любая среда характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε, относительной магнитной проницаемостью μ и удельной проводимостью σ. В таблице 5.2 приведены значения электрических параметров различных видов земной поверхности.

Таблица 5.2 Электрические параметры различных видов земной поверхности

Из таблицы 5.2 видно, что электродинамические параметры среды ε и σ зависят от длины волны (частоты) используемого диапазона. При распространении радиоволн возникает вопрос: с точки зрения проводящих свойств, какой средой является подстилающая поверхность? Как известно, все среды по свойству проводимости классифицируют на проводники, диэлектрики и полупроводники. Интересующий вопрос можно сформулировать в виде: что представляет собой конкретная подстилающая поверхность для радиоволны: проводник, диэлектрик или полупроводник?

Ответ на поставленный вопрос найдем с помощью первого уравнения Максвелла, которое для полупроводящей среды имеет вид:

.

Положим, что напряженность электрического поля изменяется по гармоническому закону в виде
Выразим напряженность электрического полячерез производную по времени:

Подставляя в первое уравнение Максвелла, получим

(5.20)

Как известно, для диэлектрической среды уравнение Максвелла имеет вид:

(5.21)

Сравнивая уравнения (5.20) и (5.21) отмечаем, что можно ввести абсолютную комплексную проницаемость в виде

, (5.22)

которая играет роль диэлектрической проницаемости полупроводящей среды.

В расчетах удобно пользоваться относительной диэлектрической проницаемостью, которая определяется формулой

или можно записать

, (5.23)

где λ – длина волны, ε – относительная диэлектрическая проницаемость, σ – удельная проводимость.

Напомним, что плотность тока смещения определяется
, плотность тока проводимости
.

При распространении радиоволны над конкретной поверхностью Земли необходимо знать, какие из плотностей токов (смещения или проводимости) в ней преобладают. Найдем отношение

, или

(5.24)

На основании (5.24) можно классифицировать вид подстилающей поверхности следующим образом:

Таким образом, чтобы выяснить над какой поверхностью происходит распространение радиоволн, необходимо сравнить между собой ε и 60λσ.

Расчет радиотрассы УКВ диапазона земной волной над плоской поверхностью Земли

Наиболее простой метод расчета радиотрассы применяют в случае распространения радиоволн при небольших расстояниях между пунктами передачи и приема. Считаем поверхность Земли является плоской и однородной на протяжении всей трассы. Изучим метод расчета такой трассы для УКВ диапазона, в котором применяются поднятые антенны.

Поднятая антенна – это антенна, у которой фидерный (питающий) тракт не излучает и в высоту антенны укладывается несколько длин волн.

Рассмотрим трассу, схема которой показана на рис.5.7.

Рис.5.7. Схема радиотрассы УКВ диапазона.

Пусть в пункте передачи А антенна поднята на высоту , в пункте приема В – на высоту . Б.А.Введенский в 1922 году предложил, что в месте приема электромагнитное поле можно рассматривать как интерференцию двух лучей: прямого1 и отраженного от Земли 2 . Лучи, выходя из одного источника, являются когерентными, поэтому в пункте В лучи 1 и 2 будут интерферировать между собой.

Действующее значение напряженности поля подсчитаем из известной формулы:

, .

Задача сводится к нахождению множителя ослабления F .

Мгновенное значение напряженности поля прямого луча определяется:

, , (5.25)

Мгновенное значение напряженности поля отраженного луча:

, , (5.26)

где - комплексный коэффициент отражения,- значение пути, проходимого отраженным лучом,∆r – разность хода между прямым и отраженным лучом. Причем

Сделаем следующие ограничения:

Учитывая сделанные допущения, мгновенное значение напряженности результирующего поля в пункте В найдем

, , (5.27)

где
- угол изменения фазы при отражении,
-набег фазы за счет разности хода прямого и отраженного лучей.

В формуле (5.27) выполним преобразование сомножителя, стоящего в квадратных скобках:

где

Тогда формула (5.27) с учетом преобразования принимает вид:

.(5.28)

Сравнивая формулу (5.28) с формулой
заключаем, что множитель ослабленияF определяется равенством:

(5.29)

где R – коэффициент отражения, Θ – фаза коэффициента отражения,
-набег фазы за счет разности хода между лучами.

Действующее значение напряженности результирующего поля определяется формулой:

.(5.30)

В эту формулу входят три неизвестные величины: R – модуль коэффициента отражения, Θ – угол изменения фазы при отражении,
-разность хода лучей.

Из электродинамики известно, что R и Θ можно определить, если знать угол скольжения γ (рис.5.7). Можно показать, что угол скольжения определяется:

, (5.31)

где
- высоты антенн,r – расстояние между пунктами передачи и приема.

Разность хода
определяется выражением

.(5.32)

Из формулы (4.38) видно, что множитель ослабления является величиной переменной. В случае, когда функция
=1,значения множителя ослабления являются максимальными
; если
=-1 , то и множитель ослабления принимает минимальные значения
. Отсюда видно, что название множителя ослабления носит условный характер. На рис.5.8 показана зависимость множителя ослабления от расстояния.

Рис.5.8. Зависимость множителя ослабления от расстояния при конечном значении коэффициента отражения.

Во многих случаях формулу (5.29) можно упростить. Так, при малых значениях угла скольжения γ для большинства видов земной поверхности коэффициент отражения можно принять
, а угол изменения фазы при отражении
.

Принимая указанные значения
и
, можно после преобразования множителя ослабления получить преобразованную формулу множителя ослабленияF:

. (5.33)

Формула (5.33) характеризует интерференционную структуру поля. Изменение расстояния r , как видно из формулы (5.33), приводит к чередованию максимальных и минимальных значений синуса. Можно определить такие расстояния r , на которых
множитель ослабления принимает только максимальные или минимальные значения.

Максимальные значения множитель ослабления F достигает на расстояниях

, (5.34)

где n =0,1,2,… Первый максимум наблюдается со стороны больших расстояний, т.е.

Минимальное значение множителя ослабления F достигается на расстояниях:

. (5.35)

Первый минимум расположен на расстоянии
от передатчика.

Из формулы (5.35) видно, что максимальное значение множителя ослабления соответствует
, минимальное -
. На рис.5.9 показан график зависимости множителя ослабленияF от расстояния при R=1.

Рис.5.9. Зависимость множителя ослабления от расстояния при R =1.

Формулы для расчета напряженности поля в пункте приема называют интерференционными формулами .

Расчет радиотрасс СВ, ДВ, СДВ диапазонов при распространении земными волнами

Очевидно, что для диапазонов волн СВ, ДВ, СДВ, приведенный выше метод расчета неприемлем. Для таких диапазонов разработан иной метод расчета, учитывающий принципиальные особенности, свойственные именно перечисленным диапазонам. В чем заключаются эти особенности?

Установлено, что для перечисленных выше диапазонов свойственны следующие особенности:

1) при работе в СВ, ДВ, СДВ диапазонах применяют антенны, расположенные вблизи земной поверхности;

2) в перечисленных диапазонах земная волна распространяется над земной поверхностью, обладающей проводящими свойствами, т.к. выполняется неравенство ε << 60λσ. В этом случае волна не может распространяться в земной поверхности, следовательно, вся энергия волны распространяется в верхней полусфере. В результате значение модуля вектора Пойнтинга увеличивается в два раза, а напряженность поля в
. В этом случае действующее значение напряженности поля для СВ, ДВ, СДВ диапазонов определяется формулой

(5.36)

Формула (5.36) называется формулой идеальной передачи или формулой Шулейкина-ван-дер-Поля.

Рассмотрим метод расчета действующего значения напряженности поля в пункте приема В, причем антенны расположены вблизи поверхности Земли (рис.5.10).

Рис.5.10. Схема радиотрассы земной волной для СВ-СДВ диапазонов.

В пункте передачи А непосредственно у поверхности земли расположена антенна передатчика. Вдоль поверхности, обладающей диэлектической проницаемостью ε и удельной проводимостью σ , распространяется электромагнитная волна. Для расчета напряженности поля по формуле (5.36) необходимо определить множитель ослабления.

Множитель ослабления F является функцией безразмерного параметра x , который называют численным расстоянием и определяют:

(5.37)

где r – расстояние между пунктами передачи и приема, s – масштаб расстояний, - комплексная диэлектрическая проницаемость подстилающей поверхности,
.

Подставляя значение относительной комплексной диэлектрической проницаемости, получим из формулы (5.37) значение x :

. (5.38)

В зависимости от вида поверхности формулу (5.38) можно видоизменить. В таблице 5.3 приведены конкретные виды поверхности и соответствующие каждой из них формулы расчета численного расстояния x .

Таблица 5.3. Формулы расчета численного расстояния x для различных видов

земной поверхности.

В приведенные формулы расчета x (таблица 5.3) необходимо подставлять значения входящих величин, измеренных в Международной системе СИ. Определив численное значение x , находят множитель ослабления F по графикам Берроуза, приведенным на рис. 5.11.

По оси абсцисс отложены значения 2х , по оси ординат – множитель ослабления F. Графики множителя ослабления приведены для двух видов поляризаций: вертикальной и горизонтальной при разном параметре Q. Параметр Q определяет отношение плотности тока смещения к плотности тока проводимости
. Из рис.5.11 видно, что при малых значенияхх все кривые стремятся к значению F =1 . Для значений х>25 кривые зависимостей множителя ослабления сливаются.

Если при расчете под руками не оказалось графиков Берроуза, то множитель ослабленияF можно вычислить по приближенной формуле

(5.39)

где х – численное расстояние.

Если значение х>25, то формула (5.39) принимает вид:

(5.40)

Формулой Шулейкина-ван-дер-Поля можно пользоваться при небольших расстояниях радиолинии, когда влиянием Земли можно пренебречь.

Сравнение результатов экспериментальных данных и выполненных теоретических расчетов позволило выявить ориентировочные значения максимальных расстояний, при которых применим расчет с помощью Шулейкина-ван-дер-Поля. В таблице 5.4 приведены эти значения расстояний.

Таблица 5.4. Максимальные расстояния, для которых применим метод

Шулейкина-ван-дер-Поля.

Таким образом, для расчета радиотрассы диапазонов волн СВ, ДВ, СДВ применяют метод Шулейкина-ван-дер-Поля.

Возникает вопрос: на какие расстояния могут распространяться земные волны? При каких условиях следует применять методы расчета земных волн? Для ответа на поставленные вопросы необходимо установить количественное соотношение, т.е. граничное условие применимости методов. К изучению поставленного вопроса перейдем с помощью нахождения расстояния прямой видимости.

Определение расстояния прямой видимости

Расстояние прямой видимости – это расстояние между пунктом передачи и приема радиоволн, определяемого по длине касательной, соединяющей эти пункты.

На рис.5.12 показано расстояние прямой видимости

Рис.5.12. Схема для расчета расстояния прямой видимости.

Радиус Земли обозначен а=6370 км , точка С является точкой касания прямой АВ на Земле. Высота передающей антенны обозначена , высота приемной антенны. Расстояния АС и СВ являются катетами прямоугольных треугольников ∆АСО и ∆ОСВ.

Таким образом, расстояние прямой видимости определяется

где а – радиус Земли, ,- высоты антенн.

Входящие в формулу (5.41) величины измеряются в системе СИ. На практике радиус Земли удобно измерять в километрах. В этом случае формула (5.41) принимает вид:

,км (5.42)

Подчеркнем, что формула (5.42) позволяет рассчитать расстояние прямой видимости, выраженное в километрах. Значение расстояния прямой видимости
позволяетустановить условие применимости методов расчета радиотрассы земными волнами.

Если длина радиотрассы
, то применим метод расчета трассы земной волной для соответствующего диапазона волн. Если расстояниеr заключено в пределах
,то такая область называется зоной полутени. Если r >1,2
,то эта область называется зоной тени. Для расчета трассы, длина которой попадает в область полутени и тени, применим дифракционный метод расчета, т.к. происходит огибание волнами поверхности Земли.

Представляет интерес распространение радиоволн в нижнем слое атмосферы – тропосфере, к изучению которого мы приступаем.

Влияние тропосферы на распространение земных волн

Тропосфера – это нижний слой атмосферы. Граница тропосферы простирается в полярных широтах до высоты 8-10 км, в тропиках - до 16-18 км. Тропосфера имеет постоянный относительный состав воздуха (только содержание водяных паров, зависящее от метеоусловий, резко уменьшается с высотой).

Важнейшее свойство тропосферы – убывание температуры с высотой, среднее значение градиента температуры составляет 5 град/км. Убывание температуры с высотой связано с тем, что тропосфера почти прозрачна для солнечных лучей, поэтому она пропускает лучи, которые нагревают земную поверхность. Нагретая поверхность Земли, являясь источником тепловой радиации, прогревает тропосферу снизу вверх.

Для тропосферы вводят понятие нормальной тропосферы , т.е. тропосферы с параметрами, выражающими среднее ее состояние. Нормальной тропосфере приписывают следующие параметры: у поверхности Земли давление составляет Р=1013 мбар , температура
, относительная влажность воздухаS=60%. Тропосферу рассматривают в виде смеси газов: сухого воздуха и водяного пара.

Состояние тропосферы описывается коэффициентом преломления тропосферы, который для нормальной тропосферы равен n =1,000325 . Видно, что таким значением пользоваться неудобно (изменяются только последние три цифры), поэтому ввели индекс преломления, который определяется соотношением:

, (5.43)

где n – коэффициент преломления.

Индекс преломления для нормальной тропосферы составляет , т.е.N =325.

Коэффициент преломления, соответственно, и индекс преломления зависят от состояния тропосферы. Для волн длиннее λ > 0,1 мм индекс преломления выражается формулой

(5.44)

где Т – температура, Р – давление, е – абсолютная влажность воздуха.

Индекс преломления, как видно из формулы (5.44), изменяется с высотой, т.к. меняется температура, давление и содержание водяных паров. Для нормальной тропосферы градиент индекса преломления составляет
,. Для практических расчетов используют значение

Тропосферу необходимо рассматривать как неоднородную диэлектрическую среду, коэффициент преломления n которой (значит и скорость распространения радиоволн) меняется с высотой. Т.к. тропосфера представляет собой неоднородную среду с меняющимся коэффициентом преломления, то ее можно рассмотреть как совокупность плоских слоев воздуха. Для каждого слоя имеется свое значение коэффициента преломления. Для двух соседних слоев коэффициенты преломления будут отличаться. В этом случае на границе раздела двух сред будет происходить явление преломления электромагнитных волн (рис.5.13).

Рис.5.13. Схема преломления радиоволны на границе раздела двух сред

На основании явления преломления волна будет отклоняться от прямолинейного распространения. В результате преломления траектория волны искривляется. Для характеристики кривизны траектории вводят понятие радиуса кривизны траектории , который определяется

, (5.45)

где -градиент индекса преломления.

Формула (5.45) показывает, что радиус кривизны луча определяется не абсолютным значением коэффициента преломления, а быстротой изменения его с высотой. Знак минус в формуле (5.45) указывает, что радиус кривизны будет положительным, т.е. траектория обращается выпуклостью вверх, если коэффициент преломления уменьшается с высотой.

Для нормальной тропосферы радиус кривизны траектории составляет

Выше, рассматривая распространение земных волн, предполагали, что они распространяются прямолинейно. В действительности, следует учитывать явление рефракции, приводящее к отклонению луча от прямолинейного распространения. Как учитывать рефракцию в реальных условиях распространения радиоволн?

Существует упрощенный способ учета влияния атмосферной рефракции. Суть предложенного способа заключается в том, что хотя электромагнитные волны в действительности распространяются по криволинейным траекториям, предположим, что распространение происходит прямолинейно. Причем радиоволны распространяются не над земной поверхностью, а над некоторой воображаемой поверхностью, имеющей эквивалентный радиус
(рис.5.14).

Рис.5.14. Траектория радиоволны: а - реальная поверхность; б - воображаемая поверхность.

Введем понятие относительной кривизны, которое определяется
, гдеa – радиус Земли, R - радиус кривизны траектории. Определим эквивалентный радиус
из условия равенства кривизны для случаева и б , изображенных на рис.5.14, т.е. запишем равенство

(5.46)

где а – радиус земной поверхности, R – радиус траектории,
- эквивалентный радиус поверхности, ∞ выражает радиус кривизны прямого луча.

Из равенства (5.46) выразим

(5.47)

или, подставив радиус кривизны траектории, получим

. (5.48)

Введем отношение эквивалентного радиуса к радиусу Земли:

(5.49)

Для нормальной тропосферы
≈8500км, к=4/3 .

Как реально учесть рефракцию в радиотрассе?

Прежде всего, рефракция учитывается при определении расстояния прямой видимости в этом случае формула расчета расстояния прямой видимости имеет вид

.(5.50)

Для нормальной атмосферной рефракции расстояние прямой видимости определяется выражением

. (5.51)

Таким образом, основные физические величины, с помощью которых учитывается рефракция, сводятся к следующим:

Все перечисленные величины зависят от градиента индекса преломления ,который изменяется в достаточно широких пределах. В зависимости от значения градиента рефракция проявляется по-разному, поэтому рефракцию классифицируют на три группы: отрицательную, нулевую и положительную.

Отрицательная рефракция – это рефракция, при которой градиент индекса преломления увеличивается, т.е. > 0.

Положительная рефракция – это рефракция, при которой градиент индекса преломления уменьшается, т.е. < 0.

Нулевая рефракция – это отсутствие рефракции, т.е.= 0.

В таблице 5.5 приведены основные характеристики разных видов рефракций.

Таблица 5.5. Классификация различных видов рефракции.

В таблице 5.5 приведены также действительные и эквивалентные траектории радиоволн. Отметим, что режим сверхрефракции возникает в ограниченной области высот тропосферы, где <-0,157 1/м , т.е. индекс преломления убывает значительно быстрее, чем при нормальной рефракции.

Распространение радиоволн в условиях пересеченной местности и при наличии препятствий

Выше рассмотрены методы расчета радиотрасс, проходящих над плоской поверхностью Земли. В реальных условиях типичным ландшафтом материков является холмистая или слабопересеченная местность. Степень пересеченности местности определяется соотношением между длиной волны λ и высотой холмов . В условиях работы на ДВ и СВ диапазонах слабопересеченную местность с высотой холмов
можно считать гладкой поверхностью. В диапазоне УКВ ту же местность следует считать пересеченной.

В пересеченной местности холмы перекрывают область пространства, в которой происходит распространение электромагнитного поля, т.е. они экранируют область распространения электромагнитного поля, и тем самым вызывают эффект ослабления волны. Задача проектирования линии связи сводится к такому расположению антенн в пунктах передачи и приема, чтобы не происходило экранирования энергии поля.

Типичные условия, в которых проходит радиорелейная линия, показаны на рис. 5.15.

Пусть пункт передачи размещен в точке А, пункт приема – в точке В, в промежуточных точках РРЛ, соответствующих C,D расположены смежные станции. Энергия волны, заключенная в заштрихованной области (рис. 5.15), представляет зону Френеля.

Обозначим через
расстояния между холмами, тогда радиусы первой зоны Френеля над точкамиC и D находятся из формул:

и

Высоты антенн в пунктах А и В надо выбрать с таким расчетом, чтобы «просветы» над холмами C и D превышали значения и .

В расчетах следует учитывать сферичность Земли. Проще это можно сделать графическим методом. В основу построения положена формула для дальности горизонта, имеющая вид

(5.52)

Формула (5.52) является уравнением параболы, по оси абсцисс х отсчитываются расстояния, по оси ординат y – высоты. Профиль гладкой поверхности Земли рассчитывают по формуле:

(5.53)

где r – общая длина линии связи.

В расчетах необходимо учитывать, что Земля с точки зрения геометрии является параболоидом вращения. Поэтому для учета кривизны поверхности Земли необходимо использовать масштабную сетку. На рис. 5.16 показана масштабная сетка для построения земной поверхности.

Рис. 5.16 Масштабная сетка для построения земной поверхности

На сетку необходимо нанести профиль радиотрассы, с помощью которой можно определить необходимые высоты антенн, применяемых для обеспечения зоны прямой видимости между пунктами А и В. Пример такого профиля трассы показан на рис. 5.17.

Рис. 5.17 Пример профиля трассы

На рис. 5.17 видно, что прямая АВ, проведенная между пунктом передачи и приема, проходит выше вершин холмов, расположенных на пути радиоволны.

Распространение радиоволн при наличии на пути экранирующих препятствий

Пусть на пути между пунктами передачи и приема существует резко выраженное какое-либо препятствие. Рассмотрим случай, когда такое препятствие можно рассматривать в виде клиновидного непрозрачного препятствия. На рис. 5.18 приведены примеры таких препятствий, возникающих на пути АВ.

Рис. 5.18 Примеры расположения клиновидных припятствий

На рис. 5.18а препятствие не пересекает прямую АВ, а только вклинивается в область пространства в которой распространяется основная часть энергии волны. На рис. 5.18б препятствие пересекает прямую АВ. Для разграничения таких случаев условились считать, что просвет Н будет принимать различные знаки, т.е. в случае рис. 5.18а просвет имеет отрицательный знак Н<0 , в случае рис. 5.18б – положительный Н>0 .

В расчете радиотрасс для таких случаев применяют теорию оптической дифракции. Множитель ослабления F рассчитывают по формуле

(5.54)

где
а
и
-интегралы Френеля, определяемые соответственно по формулам

(5.55)

где параметр
b - радиус первой зоны Френеля в месте расположения препятствия, Н – высота экрана, которая может принимать положительные и отрицательные значения (рис. 5.18).

Расчет множителя ослабления F по формулам (5.54) показывает, что зависимость от параметра v имеет вид, приведенный на рис. 5.19.

Если параметр v>2, то множитель ослабления можно рассчитать по формуле

Для расчета радиотрассы УКВ диапазона следует учесть следующие обстоятельства. На краю непрозрачного клиновидного экрана происходит дифракция. Причем дифрагирует не только прямая волна АВ, но и волны отраженные от поверхности Земли на участках между передающей антенной и экраном. Таким образом, в пункте приема В происходит сложение (интерференция) пришедших волн.

В принципе может случиться, что фазовые соотношения приобретут такие значения, что напряженность поля в месте расположения приемной антенны будет в несколько раз превышать поле, созданное одним лучом.

Отметим, что форма встречаемых препятствий весьма многообразна и в настоящее время пока не создано надежных аналитических методов расчета радиотрасс.

Бредов М.М., Румянцев В.В., Топтыгин И.Н. Классическая электродинамика. – СПб.: Изд-во «Лань», 2003. – 400 с.

Головин О.В., Чистяков Н.И., Шварц В., Хардон Агиляр И. Радиосвязь. – М.: Горячая линия –Телеком, 2001. - 288 с.

Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн. – М.: Радио и связь, 2000. - 559 с.

Боков Л.А. Электродинамика и распространение радиоволн. Электромагнитные поля и волны. – Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2001. – 217 с.

Крыжановский В.Г. Техническая электродинамика. – Донецк: ДонГУ, 2003. – 116 с.

Долуханов М.П. Распространение радиоволн. – М.:Связь, 1972. - 336 с.

Баскаков С.И. Основы электродинамики. – М.:Сов. радио, 1973. - 248 с.

Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. – М.: Наука, 1989. – 544 с.

Красюк Н.П., Дымович Н.Д. Электродинамика и распространение радиоволн. – М.: Высшая школа, 1974. - 536 с.

Фальковский О.И. Техническая электродинамика. Учебник для вузов связи. – М.: Связь, 1978. - 432 с.

Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. – М.:Сов. радио, 1971. - 664 с.

Кугушев А.М., Голубева Н.С., Митрохин В.Н. Основы радиоэлектроники. Электродинамика и распространение радиоволн. – М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2001. – 368 с.

Диденко А.Н., Зверев Б.В. СВЧ – энергетика. – М.: Наука, 2000. - 264 с.

Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. – М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1963. – 360 с.

Многие люди, не обладая элементарными понятиями о видах энергии, их свойствах, часто рассуждают о способах беспроводной передачи энергии на расстояния. Другие, не зная, как распространяются радиоволны, изготавливают антенны к своим радиопередатчикам и радиоприемникам, пытаясь добиться максимальных характеристик передачи и приема, но у них ничего не получается. Одни читают умные книги, а другие основываются на опыте, или совете малограмотного товарища. Для того, чтобы развеять хотя бы часть заблуждений и дать представление об электромагнитных волнах и как их виде – радиоволнах посвящена эта статья.

Как обычно, я не буду расписывать формул Максвелла, Фарадея и других известных деятелей науки. Их в огромном количестве имеется в учебниках физики, читая которые, даже я – имеющий образование и опыт работы в радиоэлектронике не понимаю, почему в этих учебниках приводятся заумные формулы, а простейшая, имеющая полезное практическое значение информация отсутствует? Ведь на следующий день, или неделю после окончания школы, ученик эти формулы не вспомнит, а простых понятий, как не знал, так и знать не будет.

Начнём с того, что великий изобретатель-практик электрических машин Никола Тесла активно использовал в своих экспериментах электромагнитные колебания, про которые раньше никто не знал, и как мы знаем теперь из учебников физики средней школы — порождают вид электромагнитных волн — радиоволны. Но повторюсь, во времена Теслы о существовании электромагнитных волн никто не знал. Интуитивно, путём наблюдений, Тесла понимал, что в результате его экспериментов в окружающем пространстве появляется какой-то вид энергии. Но в те времена не существовало такой науки и оборудования позволяющего раскрыть понятие электромагнитных волн. Поэтому, это явление рассматривалось как философская категория, которую Тесла называл — эфиром .

Нынче рассуждают, что «эфир» и электромагнитные волны это разные понятия. Они совершенно не правы лишь потому, что абсолютно все изобретения Теслы основаны на использовании обыкновенного переменного электрического тока и электромагнитных полей, которые в свою очередь и порождают не «эфир», а самые обыкновенные электромагнитные волны в радиочастотном диапазоне. Именно то, что в настоящее время называется электромагнитными волнами, в те времена Никола Тесла называл эфиром. Других вариантов объяснений быть не может. Можно долго рассуждать о том, что это разные понятия. Например, кто то с пеной у рта пытается доказать что скорость распространения эфира больше скорости света, а доказательная база отсутствует. С помощью какого эксперимента Никола Тесла мог измерить скорость эфира? Нигде такой информации нет. Вывод один, он её не измерял, а лишь предполагал. Вы скажете, что эфир несёт в себе энергию? Отвечу, любая электромагнитная волна несёт в себе энергию! Мне попадались практические схемы радиоприёмников без батареек, предназначенные не для работы на наушники или динамическую головку, а для получения постоянного электрического тока «из воздуха» теми жителями мегаполисов, которые живут рядом с мощными телерадиоцентрами.

– синусоидальное электромагнитное колебание в пространстве. Общепринятое сокращение – ЭМВ . Электромагнитная волна – это свет, тепловые лучи невидимого инфракрасного диапазона, рентгеновские лучи и радиоволны. Разница лишь в мощности колебаний и длине волны. В частности Тесла имел дело с радиоволнами. Фактически он и является изобретателем радио, а не Маркони с Поповым. Последние смогли описать радиоволны, поэтому их и считают изобретателями радио. Тесла был первооткрывателем, но у него в те времена не было научных объяснений, которые намного позже появились у Попова и Маркони. Кроме того, они использовали радиоволны в практических полезных целях. Тесла, в своё время писал о переносе информационного сигнала с помощью передатчика и приемника, но увлёкшись молниями, дойти до изобретения их практических устройств просто не успел. Резонный вопрос, а что же колеблется в электромагнитных волнах? Отвечу, далеко не углубляясь в ядерную физику, это фотоны – сгустки энергии, обладающие электромагнитным полем, но не обладающие массой. Именно эти свойства позволяют фотонам быть переносчиками энергии. Учёные-ядерщики и дальше «раскладывают» фотоны на составляющие элементы. Мы не будем продолжать этот ход мыслей, пожелаем им успехов, потому что это не по теме статьи. Если Вы противник считать что «эфир», это – электромагнитные волны, тогда попытайтесь принять, что «эфир» это – фотоны, а электромагнитные волны, это по своей сути — направленный поток фотонов.

Источником радиоволны может быть любой электрический проводник, в котором движется переменный электрический ток. На практике, источником радиоволны является высокочастотный генератор, колебательная энергия которого, распространяется в пространство через радиоантенну. Первым действующим источником радиоколебаний, изобретённым человеком и используемым с очевидным и рациональным успехом, был радиопередатчик-радиоприёмник Маркони (или Попова), использующий в качестве высокочастотного генератора – высоковольтный накопитель с искровым разрядником, подключенным на антенну — обыкновенный вибратор Герца.

схема передатчика и приемника Попова — Маркони

Свойства распространения электромагнитных волн

Дальность распространения электромагнитной волны зависит от частоты колебания переменного электрического тока (электромагнитного колебания). На частотах от единиц до тысяч Герц, соответствующих звуковому диапазону волн, электромагнитная волна, созданная в пространстве с помощью индуктивности, распространяется на расстояние, не превышающее одного-двух десятков метров, поэтому полезного практического применения не имеет. На частотах от сотен килогерц и выше, что соответствует диапазонам радиоволн, электромагнитная волна способна распространяться более чем на тысячи километров.

Дальность распространения электромагнитной волны так же зависит от мощности протекающего по проводнику тока. Как было указано ранее, низкочастотная электромагнитная волна полезного практического применения не имеет, но зато имеет вредное влияние. В качестве примера вредного влияния можно привести влияние высоковольтной линии электропередач (ЛЭП) с напряжением в несколько десятков тысяч вольт на радиоприёмник проезжающего мимо автомобиля. Вокруг высоковольтных проводов формируется мощное электромагнитное поле, которое значительно превосходит по амплитуде электромагнитные колебания удалённых радиостанций и в приемнике вместо радиостанции слышен низкочастотный гул сетевого напряжения. Другой случай, когда происходит «глушение» радиоприёмника вблизи силовых линий электропередач при сетевом напряжении всего в 380 вольт, но токе свыше 100 ампер. В первом случае у нас большое напряжение, а во втором — большой ток. Из учебника физики средней школы известно, что мощность электрического тока в проводнике связана с напряжением и током через выражение Р=U*I . А чем больше мощность, тем дальше распространение электромагнитного поля и как следствие – электромагнитной волны, образуемой электромагнитным полем. Этим и объясняется влияние мощности на дальность распространения.

Почему волна, про которую здесь пишется, называется электромагнитной? Потому, что она состоит из электрического и магнитного синусоидального колебания. Эти два вида колебаний ориентированы в пространстве друг относительно друга перпендикулярно – ровно на 90 градусов.
Когда электрическая волна «горизонтальна» — сориентирована параллельно линии горизонта, а магнитная волна соответственно «вертикальна» — сориентирована перпендикулярно линии горизонта, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет линейную горизонтальную поляризацию .

Когда электрическая волна «вертикальна» — сориентирована перпендикулярно линии горизонта, а магнитная волна соответственно «горизонтальна» — сориентирована параллельно линии горизонта, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет линейную вертикальную поляризацию .

Если электрическая волна (соответственно и магнитная волна) имеет наклон относительно линии горизонта – угол не равный нулю или 90 градусов, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет линейную наклонную поляризацию .

Существует так же другой вид поляризации, используемый для повышения дальности передачи (приема) и лучшей помехозащищённости радиоприёмной аппаратуры – круговая поляризация – вид поляризации электромагнитной волны, при котором за один период электромагнитного колебания радиоволна делает полный оборот на 360 градусов. Один из видов круговой поляризации – эллиптическая поляризация — «приплюснутая» в одной из плоскостей круговая поляризация.

Все указанные виды поляризации определяются устройством и ориентированием радиоантенны.

Практическая важность поляризации заключается в том, что если радиопередатчик и радиоприемник настроены на одну и ту же частоту, но имеют разную поляризацию, например у передатчика вертикальная, а у приемника – горизонтальная, то радиосвязь будет плохой, или её вообще не будет.

Примером использования поляризации света – как вида электромагнитных колебаний является 3D-кинотеатр. Принцип действия систем 3D-видеоизображения основан на следующем: Фильм снимается на кинокамеры (видеокамеры) разнесённые в пространстве, как два глаза человека. При его показе в кинотеатре, два независимых проектора закрываются поляризационными светофильтрами, точно такие же светофильтры в виде плёнок стоят в очках кинозрителей. Правый проектор и правый глаз зрителя прикрыты светофильтром с вертикальной поляризацией, а левый проектор и глаз – фильтром с горизонтальной поляризацией. Таким образом, правый глаз видит картинку от правого проектора, а левый глаз от левого. В качестве фильтров могут использоваться и другие варианты разделения световых волн, но статья не об этом, поляризация света – один из способов селекции электромагнитных волн.

Электромагнитные волны (радиоволны) распространяются в разных средах с разной скоростью. Скорость распространения радиоволн в вакууме приблизительно равна скорости света 300 000 км/сек . В воздухе радиоволны распространяются с чуть меньшей скоростью, но не на много, поэтому принимается та же цифра – 300 000 км/сек. Поскольку обыкновенная вода обладает электропроводностью, то её поверхность для радиоволн является отражателем, а часть энергии радиоволн тратится на нагрев поверхностных слоев воды. Типичным примером этому является микроволновая печь, разогревающая молекулы воды, содержащиеся в подогреваемой пище. Металлы не пропускают радиоволны, отражая всю энергию электромагнитных колебаний.

Немаловажным, являются свойства радиоволн распространяться в зависимости от их длины волны. Напомню, длина электромагнитной волны связана с частотой колебаний через скорость её распространения в вакууме (скорость света):

где: f – частота, λ – длина волны, с – скорость света, равная 300 000 км/сек.

Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов:

Сверхдлинные «СДВ» – частотой 3 – 30 кГц, с длиной волны 100 — 10 км;

Длинные «ДВ» – частотой 30 – 300 кГц, с длиной волны 10 — 1 км;

Средние «СВ» – частотой 300 – 3000 кГц, с длиной волны 1000 — 100 метров;

Короткие «КВ» – частотой 3 – 30 МГц, с длиной волны 100 — 10 метров;

Ультракороткие «УКВ» , включающие:

— метровые «МВ» – частотой 30 – 300 МГц, с длиной волны 10 — 1 метра;

— дециметровые «ДМВ» – частотой 300 – 3000 МГц, с длиной волны 10 — 1 дм;

— сантиметровые «СМВ» – частотой 3 – 30 ГГц, с длиной волны 10 — 1 см;

— миллиметровые «ММВ» – частотой 30 – 300 ГГц, с длиной волны 10 — 1 мм;

— субмиллиметровые «СММВ» – частотой 300 – 6000 ГГц, с длиной волны 1 – 0,05 мм;

Диапазоны от дециметровых, до миллиметровых волн, из-за их очень высокой частоты называют сверхвысокими частотами «СВЧ» .

Естественно все перечисленные диапазоны радиоволн, как отечественные, так и буржуйские могут подразделяться на поддиапазоны.

Для передачи информации радиоволну необходимо модулировать сигналом содержащим информацию. Длинные, средние и короткие волны обычно имеют амплитудную модуляцию, что на английском звучит — amplitude modulation «АМ» . Ультракороткие волны обычно имеют частотную модуляцию, что на английском звучит — frequency modulation , и у буржуев обозначаются как — «FМ» (по нашему «ЧМ» ).

Кроме деления радиоволн на диапазоны необходимо добавить, что в зависимости от направления и путей распространения радиоволн, они бывают поверхностные (земные) (1) – распространяющиеся вдоль земной поверхности от радиопередатчика, до приемника, без использования верхних слоев атмосферы и пространственные (2) – распространяющиеся через верхние слои атмосферы и с отражением от ионосферы (3).

Существует понятие, чем выше длина волны (меньше частота), тем она больше способна огибать препятствия. И наоборот, чем короче длина волны (выше частота), тем прямолинейнее(лучше по прямой) радиоволна распространяется.

Длинные волны способны распространяться вдоль поверхности земли и воды, но едва достигают ионосферы. Это свойство используется для организации связи с морскими судами – связь имеется практически в любой точке моря.

Средние волны распространяются вдоль поверхности земли и воды, а также отражаются ионосферой.

Короткие волны распространяются «скачками», периодически отражаясь от ионосферы и земной поверхности.

Ультракороткие волны и более высокие частоты распространяются прямолинейно, как свет от любого источника света, они не способны изгибаться вдоль земного шара, а ионосфера для них прозрачна.

Простым примером использования длинноволнового диапазона является радиосвязь с подводными лодками. Для того, чтобы не быть замеченной противником выходя на связь с командованием флота, лодка всплывает на очень короткое время. Но если бы волны, используемые для связи с подводной лодкой распространялись бы «скачками», то не в любой точке земного шара была бы связь. А на практике, в каком бы месте земного шара лодка бы не всплыла, связь появляется сразу. Конечно в последнее время с развитием техники, подводные лодки используют различные диапазоны, в том числе космическую связь (через спутники связи) на СВЧ-диапазоне.

Примером использования радиоволн диапазонов УКВ, ДМВ и СМВ является импульсная радиолокация, где свойство прямолинейного распространения радиоволн этих диапазонов используется для точного определения пространственных координат самолётов, стай птиц и других воздушных объектов. Даже проводится разведка погоды – уровня и интенсивности облачности на больших расстояниях.

От одного и того же радиопередающего устройства радиоволны отраженные от земной поверхности могут встретиться с неотражёнными волнами, или волнами, отражёнными от другого участка земной поверхности, или верхних слоёв атмосферы. В этом случае, происходит синфазное сложение радиоволн , или противофазное вычитание . В результате, в вертикальной плоскости пространства образуется изрезанная косекансная диаграмма направленности антенны. При синфазном переотражении радиоволн от земной поверхности на этих участках образуются зоны максимального переотражения – зоны Френеля . Если радиопередатчик имеет всенаправленную антенну (например штыревую), то зоны Френеля будут представлять из себя много колец на поверхности земли различного диаметра, в центре которых находится антенна. Диаметр колец может быть от десятков метров, до нескольких километров.

Для Вашей эрудиции: До военной агрессии в Югославии, американцы придавали большое значение противорадиолокационным ракетам, как средству уничтожения радаров противника. Противорадиолокационная ракета имеет самонаводящуюся радиоголовку, которая наводит ракету на сигнал радара. Но после этой своей миротворческой операции по превращению Югославии в марионеточное государство, они стали перевооружаться на ракеты с тепловыми головками самонаведения. Оказалось, что головки самонаведения противорадиолокационных ракет наводились на зоны Френеля, которые у вращающегося радара всё время меняются, в результате чего вычислитель ракеты не правильно определял координаты радара, и в лучшем случае ракета падала в одну из зон Френеля. Так, купленный у Советского Союза ещё в 80-х годах радар метрового диапазона волн, более 50 суток войны надежно обеспечивал Югославские ПВО информацией о полётах американцев. С его помощью был сбит не один чудо-самолёт-невидимка звёздно-полосатых. А по телевизору как обычно – врали, что американцы потерь не несут.

Сильное влияние на распространение радиоволн оказывают препятствия. Как правило, препятствия обладают отражающим свойством. В качестве препятствий могут выступать различные предметы как природного, так и искусственного происхождения. Как было написано ранее, радиоволны отражаются от земной поверхности. Стоит отметить, что если грунт сильно сухой (например в пустыне), то отражение радиоволн намного хуже, чем когда земля сырая от дождя. Так, расстояние связи у одной и той же аппаратуры связи на море на 50 – 70 процентов больше, чем на суше. Отражают радиоволны деревья и облака. Перечисленные естественные препятствия являются хорошими отражателями, потому, что в их состав входит вода. К искусственным препятствиям, отражающим радиоволны относятся различные металлические конструкции, в том числе арматура зданий и сооружений.

Влияние типа используемой антенны на качество и направленность приема (излучения) радиоволн

Куда и как будет распространяться радиоволна, определяется размерами и формой антенны-излучателя радиоволн. Самой простой радиоантенной является Вибратор Герца . Это элементарный «кубик», который является основой для построения всех типов антенн.

Вибратор Герца – это два проводника, расходящиеся в противоположные стороны от «точки подключения энергии». По своей сути это «развернутый» колебательный контур. Для лучшего излучения радиосигнала, расстояние от конца одного проводника до конца другого должно быть равно половине длины волны излучаемого (или принимаемого) электромагнитного колебания. Это необходимо для того, чтобы на концах вибратора была максимальная разность потенциалов напряжения сигнала, а в центре вибратора – максимальная амплитуда тока. Правда необходимо использовать коэффициент укорочения, который учитывает скорость распространения электрического сигнала по поверхности проводников, которая намного меньше чем в вакууме. В зависимости от частоты сигнала и металла, из которого изготовлен вибратор коэффициент укорочения может быть в пределах от 0,65 до 0,85. То есть вибратор должен быть равен половине длины волны, помноженной на коэффициент укорочения.

Для уменьшения габаритов антенны иногда используется вибратор, по длине равный одной четвёртой длины волны. Могут использоваться и другие соотношения, но при этом, качество приёма (передачи) и направленные свойства антенны изменяются.

Диаграмма направленности полуволнового вибратора имеет форму тороида вращения – форму «бублика». Если вибратор расположить горизонтально относительно земли, то зоны максимального приема (передачи) будут на линии перпендикулярной вибратору, а зоны минимального приема по торцовым сторонам вибратора. Но учтите, это без учёта влияния переотражения от земли. Если учитывать влияние переотражения от земной поверхности, проекция диаграммы направленности антенны (ДНА) вибратора окажется слегка вытянутой в направлениях максимумов.
На рисунке изображены тороид вращения и проекция диаграммы направленности антенны на горизонтальную поверхность с учётом влияния земли.

– это видоизменённый вибратор Герца, у которого в качестве одного проводника используется сам штырь, а в качестве другого противовес – кусок свисающего вниз провода, человек, у которого в руках мобильная рация, или поверхность земли. Диаграмма направленности штыревой антенны, это тот же торроид, находящийся в горизонтальной площади, только за счёт отражения от земли торроид приплюснут снизу. Зона максимального приёма будет во все стороны, а минимального – над штыревым вибратором. Зону минимального приема, находящуюся над антенной называют – мёртвая зона , или мёртвая воронка .

В зависимости от соотношения длины штыревой антенны к длине волны, диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости так же изменяется. На рисунке схематично изображено, влияние отношения длины штыря к длине волны на формирование диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.

Вспомните практическую важность поляризации ЭМВ — если радиопередатчик и радиоприемник настроены на одну и ту же частоту, но имеют разную поляризацию, например у передатчика вертикальная, а у приемника – горизонтальная, то радиосвязь будет плохой. К этому стоит добавить диаграмму направленности штыревой антенны, и тогда на примере двух радиотелефонов — переносных радиостанций (1 и 2) изображённых на рисунке ниже, можно сделать логическое заключение:

Если антенны радиопередатчика и радиоприемника ориентированы в пространстве относительно горизонта одинаково и диаграммы направленности антенн максимумами направлены друг на друга, то связь будет наилучшей. Если не выполняется одно из указанных условий, то связи либо не будет, либо она будет плохой.

На дальность радиосвязи также влияет ещё один параметр – толщина элементов вибратора, чем она больше, тем антенна широкополоснее – диапазон хорошо принимаемых частот шире, но уровень сигнала практически на всех частотах уменьшается. Это связано с тем, что дипольная антенна – это тот же колебательный контур, а при расширении полосы частот АЧХ резонанса, амплитуда резонанса уменьшается. Поэтому не удивляйтесь, что телевизионная антенна, сделанная из пивных алюминиевых банок в городе, где уровень сигнала телевизионной вышки большой, принимает телевизионный сигнал разных каналов не хуже, а зачастую лучше сложной профессиональной антенны.

Хорошие профессиональные радиоантенны обладают показателем – коэффициентом усиления антенны . Ведь обычный полуволновой вибратор не усиливает сигнал, его действие избирательно – на определённой частоте, в определённых направлениях и определённой поляризации. Чтобы в приемнике было меньше помех, увеличить дальность приема-передачи, одновременно при этом сузить диаграмму направленности антенны (общепринятое название — ДНА), простой полуволновой вибратор не годится. Антенну усложняют.

Ранее, я писал о влиянии различных препятствий — их отражательном свойстве. Если препятствие по своим размерам не соизмеримо (на порядок меньше) с длиной радиоволны, тогда это не является для радиосигнала препятствием, оно никак на него не влияет. Если препятствие находится в плоскости параллельной электрической волне и больше длины волны, тогда это препятствие отражает радиоволну. Если препятствие по протяженности кратно (равно четверти, половине или целой) длине волны, сориентировано параллельно электрической волне и перпендикулярно направлению распространения волны, тогда это препятствие действует как резонансный колебательный контур на целой длине волны или её гармониках, и имеет наибольшие отражательные свойства.

Именно эти описанные выше свойства и используются в сложных антеннах. Так, один из вариантов улучшения приемных свойств антенны является установка дополнительного рефлектора (отражателя), принцип действия которого основывается на отражении радиоволны и синфазного сложения двух сигналов – от телецентра (ТЦ) и от рефлектора. Диаграмма направленности при этом сужается и вытягивается. На рисунке изображена антенна, состоящая из петлевого полуволнового вибратора(1) и рефлектора(2). Длина вибратора (А) этой телевизионной антенны выбирается равной половине длины волны среднего телевизионного канала, помноженную на коэффициент укорочения. Длина рефлектора (Б) выбирается равной половине длины волны минимального телевизионного канала (с максимальной длиной волны). Расстояние между вибратором и рефлектором (С) выбирается таким, чтобы происходило синфазное сложение прямого и отражённого сигнала – половине длины волны.

Следующий способ дальнейшего усиления приемного сигнала путём сужения и вытягивания ДНА – добавление пассивного вибратора – директора . Принцип действия всё на том же синфазном сложении. Диаграмма направленности при этом ещё сильнее сужается и вытягивается. На рисунке изображена антенна «волновой канал» , состоящая из рефлектора (1), петлевого полуволнового вибратора (2) и одного директора (3). Дальнейшее добавление директоров ещё сильнее сужает и вытягивает диаграмму направленности. Длина директоров (В) выбирается чуть меньше длины активного вибратора. Для увеличения коэффициента усиления антенны и её широкополосности, перед активным вибратором добавляются директоры с постепенным уменьшением их длины. Обратите внимание, что длина активного вибратора равна половине средней длине волны принимаемого сигнала, длина рефлектора – больше половины длины волны, а длина директора – меньше половины длины волны. Расстояния между элементами выбирается также около половины длины волны.

В профессиональной технике часто применяется способ сужения ДНА и повышения усилительных свойств антенны – фазированная антенная решётка , в которой параллельно подключается несколько антенн (например простых диполей, или антенн типа «волновой канал»). В результате происходит сложение токов соседних каналов, и как результат – повышение мощности сигнала.

На сверхвысоких частотах в качестве вибратора антенны применяют волновод, а в качестве рефлектора применяют сплошное полотно, все точки которого равноудалены от плоскости вибратора (на одинаковом расстоянии) – параболоид вращения , или в простонародье – «тарелка». Такая антенна обладает очень узкой диаграммой направленности и высоким коэффициентом усиления антенны.

Выводы на основе распространения и сложности формирования радиоволн

Как и куда распространяются радиоволны можно рассчитать с помощью умных формул и преобразований только для идеальных условий – при отсутствии естественных препятствий. Для этого, элементы антенн, различные поверхности должны быть идеально ровные. На практике, из-за влияния многих факторов преломления и отражения, ещё ни один «учёный мозг» не смог с высокой достоверностью рассчитать распространение радиоволн в естественных природных условиях. Существуют области пространства уверенного приема и зоны радиотени – там, где прием вовсе отсутствует. Только в кино альпинисты не отвечают на вызов по радиосвязи потому, что у них заняты руки, или они сами заняты «спасением мира», на самом деле радиосвязь – дело не устойчивое и чаще альпинисты не отвечают потому, что связи просто нет – отсутствует прохождение радиоволн. Именно зависимость радиосвязи от природных явлений (дождь, низкая облачность, разряженность атмосферы и т.д.) привела к возникновению понятия «радиолюбитель» . Это сейчас понятие «радиолюбитель» – человек, который любит паять радиосхемы. Лет двадцать назад это был «связист-коротковолновик», который на изготовленном своими руками маломощном трансивере связывался с другим радиолюбителем (или по другому — радиокорреспондентом), находящимся на другой стороне Земли, за что получал «бонусы». Раньше даже проводились соревнования по радиосвязи. Нынче тоже проводятся, но с развитием техники это стало не так актуально. Среди этих радиолюбителей-связистов есть много недовольных тем, что обыкновенные «паялы», не сидящие в наушниках в поисках радиокорреспондентов для организации радиообмена, называют себя радиолюбителями.

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

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

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

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

• рассчитать энергетические параметры линии радиосвязи (определить мощность передающего устройства или мощность сигнала на входе приемного устройства);
• определить оптимальные рабочие волны при заданных условиях распространения;
• определить истинную скорость и направление прихода сигналов;
• учесть возможные искажения передаваемого сигнала и определить меры по их устранению.

Для решения этих задач необходимо знать электрические свойства земной поверхности и атмосферы, а также физические процессы, происходящие при распространении радиоволн.

Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн.

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

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

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

Рис. 6.1.

Стратосфера простирается от тропопаузы до высот 50-60 км. Стратосфера отличается от тропосферы существенно меньшей плотностью воздуха и законом распределения температуры по высоте: до высоты 30-35 км температура постоянна, а далее до высоты 60 км резко повышается. На распространение радиоволн стратосфера оказывает то же влияние, что и тропосфера, но оно проявляется в меньшей степени из-за малой плотности воздуха.

Ионосферой называется область атмосферы на высотах 60-10 000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т.е. имеется большое число свободных электронов (примерно 10 3 ... 10 6 электронов в 1 см 3 воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. При однократном отражении радиоволны могут перекрывать расстояние по поверхности Земли до 4000 км. В результате многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут распространяться на любые расстояния по земной поверхности. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами (3 на рис. 6.1). На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.

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