Лекция I. 3: Разпространение на ултракъсите вълни

KONSTANTIN PRESLAVSKY UNIVERSITY S H U M E N				ШУМЕНСКИ УНИВЕРСИТЕТ “ЕПИСКОП КОНСТАНТИН ПРЕСЛАВСКИ”
	РАДИОВЪЛНИ, АНТЕННО-ФИДЕРНА И МИКРОВЪЛНОВА ТЕХНИКА Ц. С. Карагьозов С любезното съдействие на проф. д.т.н. А. Д. Лазаров ТЕМА1: “РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА РАДИОВЪЛНИТЕ” ЛЕКЦИЯ I.3: РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА УЛТРАКЪСИТЕ ВЪЛНИ
		Обща характеристика на разпространение на ултракъсите вълни Определяне на разстоянието на пряката видимост Разпространение на УКВ над плоска и сферична повърхност при високо издигнати антени Разпространение на УКВ при неравности върху релефа на повърхността Влияние на тропосферната рефракция на разпространението на УКВ Разпространение на вълните от милиметровия, субмилиметровия и оптическия диапазон.

Диапазонът на ултракъсите вълни (УКВ) обхваща радиовълните с дължини от 10^-4 m до 10 m и съответно с честоти от 3.10¹² Hz до 3.10⁷ Hz. Освен широкия честотен обхват УКВ имат едно съществено качество - могат да се изграждат остро-насочени антени, което отстранява смущенията от близко разположени радиотехнически средства. Способността на УКВ да се разпространяват по направление на пряката видимост намалява взаимното влияние на радиосистемите, работещи на една честота. Възможността за едновременна работа на широко-лентови предавателни устройства на УКВ позволява да се изградят многоканални и магистрални комуникационни системи. Главна особеност на разпространението на УКВ е отсъствието на регулярно огледално отражение от йоносферата. Честотата на УКВ практически винаги превишава най-високите честоти, които могат да се отразят от йоносферата и преминават в космическото пространство. Особеност се наблюдава при дължини на вълните по-големи от 5 m, които при големи ъгли на падане ₀ могат да се отразят от спорадичния слоевете E_S и F₂ в случай на висока йонизация. Повърхностната вълна трудно обхваща кривината на Земята и силно се поглъща от почвата. Ако не се отчита изкривяването на траекторията на радиовълната в тропосферата, радиообменът пределите на пряката видимост се осъществява, когато предавателната и приемната антена се намират на една права и между тях отсъства препятствие за разпространение на електромагнитните вълни. За осигуряване на дистанционни радиокомуникации извън пределите на пряката видимост се използват ретранслиращи радиосистеми.

Допуска се, че земна повърхност е идеално гладка, като не се отчита изкривяването на лъчите в резултат на тропосферната рефракция, т.е. траекторията на радиовълната се приема праволинейна. Определя се пределното разстояние на пряка видимост r₀ между антените A и B, издигнати на височини h₁ и h₂ (фиг.1).

(2) .

Допуска се, че разстоянието между антените е много по-малко от разстоянието на пряката видимост, земната повърхност е плоска и идеално гладка. За да се осигури пряка видимост антените се повдигат над земната повърхност (фиг.2). В този случай височината на антените е много по-голяма от дължината на вълната.

(4) .

В случай, че r >> h₁, h₂ сумарният ъгъл между векторите Е₁ и Е₂ при вертикална поляризация е много малък.

Сумарното поле в точката на приемане е геометрична сума от полетата на пряката и отразената вълна, т.е.

(6) ;

(7) ;

е разликата в пътищата на пряката и отразената вълна;

- модулът на коефициента на отражение на земната повърхност;

- фазата на коефициента на отражение на земната повърхност;

- мощността на излъчване на антената;

и са коефициенти на насоченост на предавателната и приемната антена.

За да се определи от геометричните съотношения на фиг. 1 се изчисляват r₁ и r₂ . От  A′ B C′ следва

След разлагане на радикалите (6) и (7) в ред на Тейлор се получава

(11) ;

(12) .
При r >> h₁, h₂ може да се приеме r₁ = r₂ = r, което не оказва съществено влияние върху амплитудите на напрегнатостта на пряката и отразена вълна. С достатъчна за практиката точност може да се приеме = = , което води до изравняване на множителя в амплитудите на пряката (6) и отразена (7) вълна. След заместване на (6) и (7) в (5) и с отчитане на направените допускания, комплексната амплитуда на интерферентното поле получава вида
(13) .

Изразът се нарича интерференционен множител или множител на Земята. Параметърът V се изменя в интервала от 0 до 2. При V = 0 пряката и отразената вълна интерферират в противофаза и взаимно се компенсират, В случай, когато пряката и отразената вълна са синфазни и с еднакви амплитуди интерференционният множител има стойност V = 2.

В случай, че ъгълът на плъзгане се стреми към нула се стреми към единица, а към 180⁰ амплитудата на интерферентното поле се определя от израза

(14) .

Максимална амплитуда полето има при =1, т.е. при , където =1, 2, 3... . Разстоянията, при които се наблюдават максимуми се определят от израза:
(15) .
Изразът (14) не може да се използва: при малки разстояния между антените, когато ; при разстояния, превишаващи разстоянието на пряката видимост, което налага отчитане на сферичността на Земята.

При разстояние между антените по-голямо от 0,2 r₀, където r₀ се определя по формула (2), трябва да се отчита сферичността на земната повърхност (фиг. 3).

Сферичността на Земята влияе и на коефициента на отражение на радиовълните, което се обуславя от увеличението на ъгъла под който лъчите, ограничаващи определен участък от фронта на вълната, се разделят. Фронтът се “разтяга” и плътността на потока на мощността се намалява. На фиг. 4 се представя случаи на отражение на два лъча, изходящи от т. А в случаи на плоска и сферична повърхност. При отражение от плоска повърхност ъгълът, под който се разделят отразените лъчи A′B′ и А′B се запазва равен на . При отражение от сферична повърхност лъчите CB и CD се разделят под ъгъл  > . Намаляването на плътността на потока на мощността води до намаляване на напрегнатостта на полето на отразения лъч.

За анализ на процеса на разпространението на радиовълната над силно пресечена местност се въвежда понятието просвет H (фиг. 5). Стойността на H влияе на разликата в хода на прекия и отразения лъч, като определя напрегнатостта на полето в точката на приемане.

Разпространението на УКВ в градски условия се съпровожда с многократни вторични отражения, разсейване и дифракция на радиовълните. Отражение и преотражение, възниква, когато разпространяващата се радиовълна срещне обект с размери съществено превишаващи дължината на вълната. Отразените от земната повърхност и стените на сградите радиовълни интерферират с различни фази и обуславят затихване (фадинг) при някои обстоятелства. Разсейването се наблюдава, когато дължината на разпространяващата се вълната е равна или по-голяма от геометричните размери на обектите. Диаграмите на обратното разсейване са ненасочени. В една микроклетъчна комуникационна система ламповите стълбове и стълбовете с пътните значи са източници на разсейване електромагнитна енергия във всички посоки. Дифракцията на радиовълните се наблюдава, когато на пътя на радиовълните е разположено препятствие, непроницаемо за вълните, но те го преодоляват съгласно принципа на Хюгенс за вторичното електромагнитно излъчване.

Изкривяването на траекторията на радиовълната в резултат на изменение на диелектричната проницаемост на въздуха при изменение на височината се нарича тропосферна рефракция. Степента на изкривяването на траекторията на радиовълната в тропосферата се дефинира с радиус на кривината R, който се определя от израза

където е производната на коефициента на пречупване на въздуха по височина.

При < 0 радиусът на кривината намалява - рефракцията е положителна (фиг. 8, а). При >0 радиусът на кривината се увеличава - рефракцията е отрицателна (фиг. 8, б).

(а) (б)
Фиг. 8. Траектория на лъчите при положителна рефракция (а) и при отрицателна рефракция (б).
Радиусът на кривината на лъча в тропосферата може да се изрази чрез индекса на пречупване N, който се дефинира с израза . Като се отчете, че за радиуса на кривината може да се запише

(17) .

Непосредствено до повърхността на Земята средната стойност на индекса на пречупване е N = 300.

За оценка на влиянието на рефракцията върху траекторията на радиовълната и пределното разстояние на пряката видимост се дефинира еквивалентен радиус на Земята при изправена траектория на радиовълната () (фиг. 9).

Като се отчете, че , за еквивалентния радиус на земната повърхност може да се запише

(19) .
С отчитане на израза (17) за еквивалентния радиус на Земята се получава
(20) .
Като се отчете (2) и (19), пределното разстояние на пряката видимост между двете антени се определя чрез израза
(21) .
Ако се означи отношението , изразът (19) получава вида

(20) ,

При свръх рефракция R < a. Траекторията се изкривява към Земята, като изпитва многократно отражение от земната повърхност (фиг. 12, а). При свръх рефракция . Еквивалентната траектория е показана на фиг. 12, б.

Фиг. 13. Диаграми на разсейване: на единична нееднородност в тропосферата (а), където е линейният размер на нееднородността, - диелектрична проницаемост на обкръжаващата среда, - диелектрична проницаемост на нееднородността; на съвкупност от нееднородности (б).

Разпространението на УКВ в диапазона под 1.10^-2 m в тропосферата се наблюдава съществено намаляване на енергията на електромагнитната вълна. Това се дължи на: поглъщане на енергията на радиовълната в хидрометеори (дъжд, сняг, град, мъгла); частично разсейване на падащата радиовълна, чиято дължина е съизмерима с размерите на хидрометеорите; резонансно поглъщане на енергията от молекулите на газа.

Далечно и свръх далечно разпространение на УКВ в диапазона на метровите вълни може да се реализира чрез спорадичния слой E_S или от нееднородности йоносферата. Радиусът на действие на радиотракта при еднократно огледално преотражение от слоя E_S е около 2000 km. Слоят E_S е нерегулярен. Устойчив радиообмен не може да се осъществи. Отражението, възникващо от нееднородности, разположени в слоя D или ниските области на слоя E има определено практическо значение и може да се използва за изграждане на радиотракт в диапазона от честоти 3.10⁷ - 6.10⁷ Hz, на разстояние 1000-2000 km и затихване в границите от -90 до -120 dB.
6. Разпространение на вълните от милиметровия, субмилиметровия и оптическия диапазон

Милиметровите вълни (ММВ) обхващат диапазона от 1.10^-3 до 1.10^-2 m. Главна особеност от гледна точка на разпространението е силното поглъщане от хидрометеорите – дъжд, мъгла. При дължина на вълната  = 1cm поглъщането е δ = 20 dB/km, а при 1 mm се стреми към 40 dB/km. Освен това отрицателно влияние оказва и молекулярното поглъщане от газовете и водните пари в атмосферата, даже при оптически прозрачна атмосфера. В ММВ диапазона са характерни три резонансни максимума на поглъщана:  = 5 mm (δ = 12 dB/km);  = 2.5 mm (δ = 1.7 dB/km);  = 1.5 mm (δ = 30 dB/km). В субмилиметровия диапазон (СММВ) с практическа приложимост е електромагнитното излъчване с  = 0.87 mm, което е с минимално затихване (δ = 8 dB/km). В системите за тропосферна радиокомуникация на ММВ и СММВ могат да се използват честоти, разположени само в прозорците на прозрачност.

Създаването на квантово-оптическите генератори разкри възможността в радиотехническите системи да се използва оптическия диапазон на електромагнитните излъчвания от видимия спектър с дължини на вълните [(0.4-0.75). 10^-6 m] и инфрачервения [(0.75-100). 10^-6 m]. Тези електромагнитни вълни са кохерентни и практически монохроматични. Оптическите вълни притежават практически неограничени пропускателни информационни възможности. При ограничени размери на излъчващите апертури могат да се получат много тесни лъчи, което е от съществено значение за оптическите локатори. При разпространение в безвъздушното (космическото) пространство ширината на главния лист на диаграмата на насоченост на ниво половина мощност се определя от израза , където d е диаметърът на апертурата. При d = 10 cm и  = 1μm, диаграмата има широчина 2.5″, което обуславя използването на лазерните системи в космическото пространство. Върху разпространението на оптическото електромагнитно излъчване влияние оказват турбулентните процеси в атмосферата, които водят до разширение на диаграмата на насоченост на излъчващата апертура, както и поглъщането от хидрометеори (мъгла, дъжд, сняг).

Разпространението на оптическите вълни в реалната турбулентна атмосфера се съпровожда с изкривявания в резултат на разсейване на електромагнитното излъчване. Локалните нееднородности в атмосферата с турбулентен характер се преместват непрекъснато под въздействие на вятър и вертикалните въздушни течения като обуславят бързи флуктуации на амплитудата и фазата на сигнала приемната система. Радиовълните от оптическия диапазон се използват в космическите комуникации, осигуряващи висока информационна плътност, в радиолокационните системи, реализиращи висока разделителна способност и в радионавигационни устройства, осигуряващи по-добри навигационни характеристики.