Лекция ц. С. Карагьозов с любезното съдействие на проф д. т н. А. Д. Лазаров



Дата12.05.2017
Размер103.52 Kb.


KONSTANTIN

PRESLAVSKY

UNIVERSITY

S H U M E N





ШУМЕНСКИ УНИВЕРСИТЕТ

ЕПИСКОП КОНСТАНТИН ПРЕСЛАВСКИ”














ЛЕКЦИЯ




Ц. С. Карагьозов
С любезното съдействие на

проф. д.т.н. А. Д. Лазаров


РАДИОВЪЛНИ, АНТЕННО-ФИДЕРНА И МИКРОВЪЛНОВА ТЕХНИКА


ТЕМА 1: “РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА РАДИОВЪЛНИТЕ”



ЛЕКЦИЯ I.4: РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА РАДИОВЪЛНИТЕ ОТ КЪСОВЪЛНОВИЯ, СРЕДНОВЪЛНОВИЯ, ДЪЛГОВЪЛНОВИЯ И СВРЪХ ДЪЛГОВЪЛНОВИЯ ДИАПАЗОН



I.4




  • Разпространение на радиовълните от късовълновия диапазон

  • Разпространение на радиовълните от средновълновия диапазон

  • Разпространение на радиовълните от дълговълновия диапазон

  • Разпространение на радиовълните от свръх дълговълновия диапазон




РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА РАДИОВЪЛНИТЕ ОТ КЪСОВЪЛНОВИЯ, СРЕДНОВЪЛНОВИЯ, ДЪЛГОВЪЛНОВИЯ И СВРЪХ ДЪЛГОВЪЛНОВИЯ ДИАПАЗОН
1. РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА КЪСИТЕ РАДИОВЪЛНИ
1.1. Обща характеристика

Късите вълни (КВ) обхващат диапазона от 10 m до 100 m (3.107 - 3.106 Hz). Повърхностната вълна на КВ диапазон при пределно достижима мощност на предавателя може да покрие разстояние от няколко десетки километра. Основен начин на разпространение на КВ е чрез пространствената вълна между земната повърхност и йоносферата. При еднократно отражение от слоя F радиовълната покрива разстояние 3500-4000 km. При еднократно отражение от слоя ES пределното разстояние е 2000 km. При многократно преотражение от йоносферния слой КВ могат да осигурят радиообмен между произволни точки на земната повърхност. Късовълновият диапазон дава възможност да се реализира висок коефициент на насочено действие на антената (<300). КВ диапазон позволява да се осигури радиообмен между подвижни обекти (плавателни съдове, самолети, космически апарати).

За да се отрази от йоносферата ъгловата честота на вълната трябва да удовлетворява закона на секанса . Ъгълът зависи от кривината на траекторията на радиовълната в йоносферата, от височината, на която се извършва отражение и от разстоянието, на което се осъществява радиообмена (фиг. 1).

Фиг. 1. Зависимост на ъгъл от разстоянието на радиообмен r0

и височината на отражение.

Максималната стойност на ъгъл съответства на минимален ъгъл на възвишение  на траекторията. При , клонящо към нула и отражение от слой с максимална електронна концентрация радиовълната с еднократно преотражение покрива максимално възможно разстояние. При радиообмен между наземни пунктове сферичността на Земята ограничава максималната стойност на ъгъл . Стойността на максималната честота, която може да се използва за радиообмен чрез едно отражение от слой с определена йонна концентрация, се нарича максимално приложна честота (МПЧ).

Слоевете D и E са основните поглъщащи слоеве за късите вълни. Слоят F1 поглъща късите вълни в по-малка степен. Слоят F2 е отразяващият слой за КВ диапазон. Слоят D съществува само през деня. Електронната концентрация на слоя E през деня е по-висока отколкото през нощта. В съответствие с това през деня рязко нараства поглъщането на КВ. Колкото е по-ниска честотата толкова е по-голямо поглъщането. През деня се използват КВ в диапазона от 10 до 30 m. През нощта радиообмен може да се осъществи на КВ в обхвата от 30 до 100 m. За осъществяване на радиообмен на КВ, необходимо и достатъчно е да се изпълнят две условия: използваните за комуникация честоти трябва да бъдат по-малки от МПЧ, т.е. вълната трябва да се отразява от по-високо разположената йонизирана област F2; поглъщането от слоевете D и E, през които преминава вълната, за да се отрази от слоя Е, не трябва да бъде много голямо.
1.2. Зони на мълчание на КВ.

При малки ъгли на падане високочестотните КВ не се отразяват от йоносферата и преминават в космическото пространство. В съответствие със закона на секанса се определя минималният ъгъл , при който все още се осъществява отражение на радиовълната. Този ъгъл се нарича критичен ъгъл на отражение 0кр. При 0 < 0кр отражение от йоносферата отсъства, пространствената вълна не се отразява към Земята, което води до появата на земната повърхност на зони на мълчание, в границите на които радиообмен е невъзможен. На фиг.2 са изобразени границите на зоните на мълчание в две проекции при отсъствие на насоченост на излъчването в хоризонтална плоскост.



Фиг. 2. Границите на зоните на мълчание в две проекции.
Зоната на мълчанието е пръстен. Вътрешната граница на пръстена се пределя от максималното разстояние, на което е възможно приемането на повърхностната вълна, а външната граница на зоната съответства на минималното разстояние, което покрива пространствената вълна при отражение от йоносферата. С увеличаване на електронната концентрация на йоносферата (например при прехода от нощ към ден) условията за отражения от йоносферата се облекчават, ъгълът 0кр се намалява и зоната на мълчание се стеснява. Допуска се, че антената има достатъчно широка диаграма на насоченост във вертикална плоскост и осветява йоносферата под различни ъгли 0 едновременно. Зоната на мълчание се намалява при увеличение на дължината на вълната, с което се намалява стойността на 0кр и се увеличава радиусът на зоната, в който е възможно приемане на повърхностната вълна. В случай, че  = 0, т.е. 0 = 0, зоната на мълчание изчезва. За отстраняване на зоната на мълчание работната честота трябва да бъде близка или по-ниска от критичната ( < 0).
1.3. Многолъчевост на разпространение на късите вълни.

В КВ обхвата на разстояние 3500-4000 km при честоти по-ниски от максимално приложната честота в приемната точка се регистрират множество дискретни лъчи, претърпяващи многократни преотражения от йоносферата (фиг. 3). При честоти, равни на максимално приложната честота и малки ъгли на падане 0 лъчите не се отразяват от йоносферата. В приемника постъпва един дискретен лъч с минимален брой преотражения (фиг. 4.)





Фиг.3. Многолъчево разпространение на КВ радиовълна.


Фиг. 4. Отстраняване на допълнителните дискретни лъчи при честоти,

близки до максимално приложната.
Динамични нееднородности с различни размери, присъстващи в йоносферата обуславят освен огледален лъч и множество елементарни разсеяни лъчи (фиг. 5, а). Геомагнитното поле и едновременното отражение от различни слоеве на йоносферата (5, в) предизвиква разцепване на отразената вълна на обикновен и необикновен (особен) лъч (фиг. 5, б). Интерференцията на радиовълните, имащи различно време на закъснение, при многолъчевото отражение води до появата на ехо. Различават се два типа ехо: близко и околосветско. Ако при двулъчевост предавателят излъчва кратки импулси, в точката на приемане тези импулси се приемат разделно. Сигналът, постъпващ по по-дългия път, създава ехо. Ако предавателят излъчва сравнително дълги импулси, превишаващи времето на закъснение, тези импулси се препокриват, възниква интерференция и фадинг. При излъчване на кратък импулс сигналите, разпространяващи се по най-краткия и по по-дългия път, постъпват разделно в приемната страна и се възприемат като близко ехо. По такъв начин една и съща многълъчевост в зависимост от продължителността на излъчения импулс в единия случай предизвиква фадинг, а в другия - близко ехо. При околосветското ехо в приемната страна се регистрират сигнал от прекия лъч и сигнал от лъч, обикалящ земното кълбо след многократно преотразяване от йоносферата. При близкото ехо закъснението е милисекунди, а при околосветското ехо е част от секундата (0.13 s). За отстраняване на ехото следва да се работи на честоти, близки до максимално приложната, което осигурява приемане на един дискретен лъч.



(а) (б) (в)

Фиг. 5. КВ интерференция: разсейване на лъчите от нееднородности (а), разцепване на лъчите на обикновена и особена вълна (б); отразяване на радиовълните от различни слоеве на йоносферата (в).

Интерференцията на фазово изместени радиовълни води до появата на фадинг. Той има селективен характер и може да доведе до нелинейни изкривявания в амплитудата на сигнала. Освен интерференционен фадинг се наблюдава и поляризационен фадинг в резултат на поляризацията на вектора Е под въздействие на геомагнитното поле.

За осигуряване на надежден КВ радиообмен се използва мултиплицирана радиоприемна апаратура с разнесени в пространството антени, приемащи радиовълни от различни участъци от йоносферата. За ефективен КВ радиообмен максимумите на диаграмите на насоченост на антените трябва да съвпадат с направлението на оптималната траектория на разпространение на сигнала. С особена практическа стойност в КВ обхват е ефектът на Кабанов, който се състои в следното. При попадане на пространствената вълна на земната повърхност освен огледално отражение възникват разсеяни радиовълни, тъй като повърхността на Земята не е идеално гладка. Част от разсеяната енергия се връща във вид на пространствена вълна, която може да се регистрира в точката на излъчване. Ефектът на Кабанов лежи в основата на задхоризонтната радиолокация.
2. РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА СРЕДНИ РАДИОВЪЛНИ

Средновълновият диапазон обхваща радиовълни с дължини от 100 m до 1000 m или с честоти 3.106 - 3.105 Hz. Средните вълни (СВ) се отразяват от слоя Е, като при преминаването на слоя D те изпитват силно поглъщане. Това е причина интензивността на пространствената вълна през деня да е под нивото на смущенията. Поглъщането на радиовълните с дължини 1000 m през зимата е несъществено. Следователно радиообмен на СВ през деня се осъществява чрез повърхностната вълна при достатъчна мощност на предавателя. При мощност над 100 kW и височина на антените 150-200 m радиоразпръскване може да се осъществи на разстояние до 300-400 km. Сезонните изменения практически не влияят на напрегнатостта на полето на СВ.




Фиг. 6. Поле на пространствената вълна (извън обхвата на диаграмата

на насоченост на вертикалния дипол)
За излъчване на повърхностни вълни в СВ диапазон се използват антени с вертикална поляризация. Това са вертикални вибратори които не излъчват в осево направление. В резултат на това в близост до предавателя съществува само повърхностна вълна (област на надежден радиообмен), а поле на пространствена вълна може да се регистрира на разстояние стотици километри от предавателя (фиг. 6). На голямо разстояние от предавателя, където интензивностите на повърхностната и пространствената вълна са съизмерими през нощта се наблюдава затихване (фадинг) на сигнала, в резултат на интерференцията на повърхностната и пространствената вълна. Зоната, където се наблюдава фадингът от интерференцията, се нарича зона на близкия фадинг. Фадингът има селективен характер. Периодът на затихване е сравнително голям и е от порядъка на минути. При много големи разстояния, където практически не се открива повърхностна вълна, радиообменът може да се извърши само през нощта чрез пространствената вълна. В тази зона се наблюдава фадинг в резултат на интерференция на лъчи, извършващи различен брой преотражения. Характерна особеност на пространственото разпространение на СВ са нелинейните ефекти, възникващи в йоносферата, при взаимодействие с разпространяващата се вълна. Нелинейните изменения на параметрите на йоносферата като диелектричната проницаемост и специфичната проводимост водят до поглъщане на енергията на електромагнитната вълна.

Особен интерес при СВ разпространение представлява крос-модулацията при разпространение на две амплитудно модулирани вълни с различна честота в една и съща област на йоносферата, като полето на една от вълните има по-голяма интензивност. Полето с по-голяма интензивност (с честота 1) модулира поглъщането в йоносферата (при голяма амплитуда поглъщането нараства, при малка се намалява), което води до допълнителна паразитна амплитудна модулация на вълната с честота 2.


3. РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА ДЪЛГИ СВРЪХ ДЪЛГИ РАДИОВЪЛНИ

Дълговълновият и свръх-дълговълновият диапазон обхваща радиовълните с дължини над 1.103 m и честоти под 3.105 Hz. В морската и земна среда разпространението на дългите вълни (ДВ) и свръх-дългите вълни (СДВ) е с неголеми загуби. ДВ и СДВ се отразяват от най-ниската граница на йоносферата - през деня от слоя D, а през нощта - от слоя E и не проникват в дълбочина. Загубите при отражение от йоносферата са незначителни.

Разпространението на радиовълните с дължини, които съществено превишават 1.103m има вълноводен характер - радиовълните се разпространяват в сферичен вълновод образуван от йоносферата и земната повърхност. Критичната дължина на вълната е 100 km, т.е. критичната честота е 3.103 Hz. Сферичната форма на вълновода обуславя ″ефект на антипода″, който се състои в нарастване на напрегнатостта на полето в точка, разположена на противоположния край на диаметъра на Земята, преминаващ през предавателната антена (фиг. 7).

Фиг. 7. Ефект на антипода.

Предавателната антена на ДВ не притежава насочени свойства в хоризонтална равнина. Мощността P излъчена от антената, преминава през напречното сечение на вълновода с формата на конически пръстен (Фиг. 7). Площта S на напречното сечение, образувана от пръстена, нараства с увеличаването на ъгъла  и достига максимум при  = 900, а след това се намалява. При намаляването на S с приближаване на точката на антипода стойността на вектора на Пойнтинг  = P/S и напрегнатостта на полето нарастват. При отсъствие на загуби в земната повърхност и йоносферата напрегнатостта на полето в зависимост от разстоянието се изменя по направление на пунктираната линия (фиг. 8). Но поради загубите напрегнатостта на полето се изменя по-рязко и нарастването е по-слабо изразено (плътна линия на фиг. 8).



Фиг. 8. Напрегнатост на полето на дълги вълни от разстоянието.

Разпространението на ДВ с дължини на вълните от няколко километра няма вълноводен характер. В този случай приеманата вълна може да се раздели на пространствена и повърхностна. Антената за излъчване на ДВ и СДВ има формата на вертикален вибратор. Пространствената вълна има достатъчна интензивност само при отдалеченост от предавателната антена на 300-400 km. Особеност на ДВ и СДВ диапазон е малката зависимост на условията на разпространение от годишните времена, времето на денонощието и слънчевата активност. През нощта напрегнатостта на полето нараства с известна степен, тъй като слоят D отсъства, а загубите при отражение от слоя E са по-малки. ДВ и СДВ практически не проникват в йоносферата, не се подлагат на йоносферни въздействия и се отличават с висока стабилност на разпространение, което позволява те да се използват за аварийна комуникация и радионавигация. СДВ имат свойството да проникват дълбоко под земята и в морските дълбочини, което позволява да се използват за подземна и подводна комуникация с подводни плавателни съдове. При подземна комуникация предавателната и приемната антени са разположени под земната повърхност. Недостатък на ДВ и СВД диапазони е високото ниво на атмосферни смущения, което изисква предаватели със свръх мощности и антени с големи размери. Освен това не могат да се реализират диаграми с висока насоченост и е затруднено осъществяването на амплитудна модулация на радиовълните. За радиоразпръскване се използват ДВ с дължини на вълните по-малки от 2.103 m.









База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница