Спектр несущих частот. Особенности распространения радиоволн разных диапазонов.

В настоящее время наблюдается бурный рост числа и видов систем радиосвязи, радиолокации и др., использующих прием и передачу электромагнитных волн. Это приводит к «тесноте в эфире», т. е. к противоречию между числом требуемых каналов связи и конечностью ширины используемого спектра радиочастот. В связи с этим непрерывно ведутся работы по освоению ра­диотехникой новых диапазонов несущих частот.

Существует определенная классификация диапазонов несущих частот. В таблице 5.4.1 приведено распределение радиочастот по диапазонам согласно ГОСТ 24375—80 и указаны области их тех­нического применения. Степень практического освоения различ­ных диапазонов волн в разных областях радиотехники не одина­кова. Если километровые, гектометровые, декаметровые и метро­вые волны освоены техникой радиосвязи, радиовещания и теле­видения, то дециметровые и сантиметровые волны в основном используются в радиолокации и радиорелейной связи (служебной связи по избранным направлениям). В последние годы телевидение начало осваивать дециметровые волны. Диапазон миллиметровых волн в настоящее время интенсивно осваивается техникой радио­локации, радиорелейной, связи и дальней связи по волноводам. С изобретением лазеров радиотехникой стал осваиваться диапазон субмиллиметровых, инфракрасных волн и видимого излучения.

Таблица 5.4.1

Освоение этого диапазона поз­волило существенно увеличить чис­ло используемых каналов связи. При практическом использовании различных диапазонов волн долж­ны учитываться специфика рас­пространения волн разных диапа­зонов и возможные помехи в этих диапазонах.

В распространении радиоволн всех диапазонов (за исключе­нием очень коротких, длиной волны λ < 10 м) важную роль иг­рает ионосфера. Так принято называть верхние сильно разре­женные слои атмосферы, находящиеся на высоте свыше 100 км над поверхностью Земли и в значительной степени ионизованные под действием солнечного и космического излучения. Особенности распространения радиоволн в ионосфере практически полностью определяются концентрацией в ней свободных электронов, подвиж­ность которых на несколько порядков выше подвижности ионов. Концентрация электронов в ионосфере зависит не только от высоты над поверхностью Земли, но также от времени года, времени су­ток, солнечной активности; кроме того, она подвержена быст­рым изменениям случайного характера.

При взаимодействии электромагнитной волны со свободными электронами показатель преломления ионосферы зависит от их концентрации N, а также от частоты колебаний ω:

(5.4.1)

где е и m— заряд и масса электрона, ε₀ — электрическая постоян­ная вакуума.

Для более высоких частот n становится действительным числом, но всегда n < 1: ионосфера представляет собой среду, в которой фазовая скорость электромагнитных волн больше, чем в вакууме.

При электромагнитные волны могут распространяться в ионосфере, но так

как n < 1, то при угле падения, большем предель­ного угла (sin α_пред = n), и наконец, при

возможно явление полного отражения.

Показатель преломления n настолько близок единице, что ионосфера слабо влияет на распространение электромагнитных волн. Опыт показывает, что ионосфера стано­вится прозрачной для волн короче 10 м, поэтому волны этого диапазона используются в радиоастрономии, а также для радиосвя­зи с космическими объектами, в частности с искусственными спутни­ками Земли.

Распространение электромагнитных волн в ионосфере сопро­вождается поглощением энергии, которое обусловлено соударе­ниями электронов с другими заряженными частицами.

Для длинных волн Земля является хорошим проводником, вследствие чего их отраже­ние от поверхности Земли происходит практически без потерь энергии. Таким образом, за счет многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли (рис.5.4.1) возникает пространст­венная волна, которая может попасть в любую точку

Рис.5.4.1

земного шара. Кроме того, при излучении радиоволн антенной возникает поверхностная волна, которая в силу большой длины волны хо­рошо огибает (дифрагирует) все препятствия на своем пути (в том числе кривизну земной поверхности) и распространяется далеко за пределы прямой видимости (на несколько сотен километров). На достаточно больших расстояниях (более 1000 км) поверхност­ная волна имеет значительно меньшую интенсивность по сравнению с пространственной и может не приниматься во внимание. Следо­вательно, радиосвязь на большие расстояния в диапазоне мириаметровых волн обеспечивается пространственной волной. Так как отражение этих волн происходит от нижнего слоя ионосферы, ионизация которого наименее подвержена суточным, годовым и случайным изменениям, мириаметровые волны обеспечивают устойчивую всенаправленную дальнюю радиосвязь. Сверхдлинные волны (и только они!) мало поглощаются морской водой и могут служить для подводной связи.

Гектометровые волны распространяются также с об­разованием пространственной и поверхностной волн. Однако интен­сивность пространственной волны в этом диапазоне меньше, чем на мириаметровых волнах. Это связано с тем, что гектометровые волны отражаются не от нижней границы ионосферы, где кон­центрация электронов недостаточно высока, а проникают в толщу ионосферы. Путь волны в ионосфере удлиняется, что приводит к увеличению потерь энергии волны. Ослабление энергии пространст­венной волны особенно существенно в дневное время, когда нижняя граница ионосферы за счет интенсивной солнечной ионизации опу­скается, что дополнительно удлиняет путь волны в толще ионо­сферы. Таким образом, в дневное время связь на гектометровых волнах осуществляется только посредством поверхностной волны. Дальность связи при этом значительно меньше, чем на мириаметро­вых волнах, при той же мощности передатчика, так как потери энергии поверхностной волны в толще Земли быстро растут с повы­шением частоты.

В ночное время существенную роль при приеме на гектомет­ровых волнах играет как поверхностная, так и пространственная волна. При этом результирующая напряженность поля в месте при­ема определяется интерференцией обеих волн:

(5.4.2)

Разность фаз беспорядочно меняется из-за изменения условий распространения пространственной волны в ионосфере, что приводит к случайным изменениям интенсивности резуль­тирующей волны. Это явление получило название замирания ра­диоволн. Декаметровые волны. Для волн этого диапазона , и отражение их от ионосферы может произойти, если угол падения превышает предельное значение α_пред. Хотя путь волны в ионосфере велик, затухание ее незначительно, так как частота волн этого диапазона уже достаточно высока, а потери мощности в ионосфере обратно пропорциональны квадрату частоты. Потери энергии поверхностной волны,

на­против, быстро возрастают с увеличением частоты, поэтому в диапазоне декаметровых волн дальность радиосвязи при помощи поверхностной волны составляет всего несколько десятков кило­метров. Таким образом, главную роль в радиосвязи на декамет­ровых волнах играет пространственная волна. Особенностью приема в этом диапазоне является существование зон молчания (рис. 5.4.2). Поскольку волны, излучаемые антенной передатчика П, отра­жаются ионосферой только при угле падения, превышающем зна­чение α_пред, ближайший к передатчику пункт, в котором можно вести прием с помощью пространственной волны, находится в точке М. В то же время поверхностная волна из-за сильного за­тухания может достигнуть только пункта С. В результате возни­кает область СМ, в которой прием на декаметровых волнах невоз­можен ни с помощью пространственной, ни с помощью поверхност­ной волны. Ее и называют зоной молчания, или «мертвой» зоной.

Метровые волны. Как уже отмечалось, радиоволны этого диапазона не отражаются ионосферой, поэтому радиосвязь на метровых волнах можно осуществлять только с помощью поверх­ностной волны. В силу малой длины волны метровые волны прак­тически не дифрагируют и распространяются вдоль поверхности Земли прямолинейно. В связи с этим дальность радиосвязи огра­ничивается расстоянием прямой видимости и может быть увели­чена только за счет создания более высоких передающих антенн. Примером является Останкинская телевизионная башня в Москве, имеющая высоту около 540 м и обеспечивающая прием телеви­зионных передач в зоне радиусом 120—130 км.

Ранее отмечалось, что электромагнитные волны с малой дли­ной волны не отражаются ионосферой, а, испытав небольшое преломление, могут в ней распространяться. Однако как в ионосфе­ре, так и в атмосфере существует поглощение электромагнитных волн, а также возникают шумы. Наименьшее поглощение и шумы наблюдаются в диапазоне волн 3—30 см, называемом часто «окном космической связи». На более длинных волнах растут шумы космоса и ионосферы, на более коротких – поглощение и шумы в атмосфере. Электромагнитные волны, попадающие в область «окна космической связи», могут быть использованы не только для связи со спутниками, но и для передачи на Землю путем ретрансляции их устройствами, расположенным на спутниках, либо путем отражения от небесных тел. Именно таким образом была осуществлена радиолокация Луны, Меркурия, Венеры и Марса.

Дата добавления: 2015-07-08