Распространение радиоволн и антенны.

Лекция № 26.

 

 

Условия распространения. Ранее было рассмотрено распространение волн в направляющих системах, т. е. созданных человеком устройствах, предназначенных для передачи электро­магнитной энергии из одной точки пространства в другую. Перей­дем к изучению процессов, происходящих с радиоволной при ее свободном распространении. Под этим термином понимается рас­пространение ее в атмосфере Земли, вдоль поверхности Земли, в космическом пространстве, т. е. в природных условиях. На про­цессы свободного распространения радиоволн оказывают влияние параметры среды распространения. На современном уровне раз­вития науки и техники человек не в состоянии изменять их по своему усмотрению, поэтому мы должны изучить процессы рас­пространения радиоволн в различных условиях, уметь рассчиты­вать потери, происходящие при распространении, правильно выби­рать рабочие частоты для связи.

Классификация радиоволн. Радиоволны принято классифицировать по двум основным признакам: по длине волны (частоте) и по способу (механизму) распространения. Классифи­кация по первому признаку приведена в таблице.

Помимо перечисленных в таблице наименований волн и полос частот, пользуются также другими условными названиями: сверх­длинные волны (СДВ), длинные (ДВ), средние (СВ), короткие (КВ), ультракороткие (УКВ). Эти сокращенные обозначения час­то применяют на шкалах радиовещательных приемников. В целом СДВ соответствуют мириаметровым, ДВ — километровым, СВ — гектометровым, КВ — декаметровым, а УКВ объединяют диапа­зоны с номерами 8... 11.

По способу распространения различают четыре типа волн: прямые, поверхностные (земные), тропосферные и пространствен­ные (ионосферные). Схематически они показаны на рисунке. Оп­ределение каждого из этих типов волн следует из механизма их распространения.

Прямыми называют волны, распространяющиеся в свободном пространстве, т. е. в пространстве, не заполненном каким-либо ве­ществом, по прямолинейным траекториям. Из определения следует, что связь прямыми волнами возможна на трассах типа Космос — Космос. Однако на практике принято считать, что трассы Зем­ля— Космос, Космос — Земля (на рисунке между точками А и В) также обеспечиваются прямыми волнами, хотя атмосфера Земли и оказывает небольшое влияние на условия распространения. Убывание амплитуды поля прямых волн связано не с наличием потерь (распространение происходит в свободном пространстве), а с естественным сферическим рассеянием энергии.

Рассмотренные типы трасс в настоящее время не являются оп­ределяющими для систем связи. В большинстве случаев приемная и передающая антенны располагаются на поверхности Земли или в непосредственной близости от нее. Очевидно, влияние на рас­пространение, кроме полупрово­дящей почвы, будет оказывать и атмосфера, являющаяся неодно­родной средой.

 

 

 

Классификация радиочастот и радиоволн

 

 

 

Типы волн. 1 — прямые; 2—поверхностные.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли, частично огибающие выпуклость земного шара вследствие дифракции, получили название поверхностных, или земных волн. На рисунке это волны между точками А к С. Из курса физики известно, что дифракция наблюдается тогда, когда размеры препятствия соизмеримы с длиной волны. В данном случае препятствием является шаровой сегмент. Высота последнего за­висит от расстояния между корреспондентами, поэтому ясно, что чем больше рабочая длина волны, тем на большее расстояние она может распространяться за счет дифракции. Дифрагируя вокруг сферической поверхности Земли, поверхностная волна час­тично поглощается полупроводящей землей, степень поглощения которой зависит от структуры почвы (лесок, глина, камни и т. п.) и ее влажности. Атмосфера Земли оказывает малое влияние на условия распространения этой волны.

На распространение тропосферных и пространственных (ионо­сферных) волн основное влияние оказывает атмосфера Земли. Под атмосферой понимают газообразную оболочку Земли, прости­рающуюся на высоту до 800... 1000 км. В ней можно выделить три основных слоя: тропосферу — приземный слой высотой 10... 14 км; стратосферу — слой до 60 ... 80 км; ионосферу — ионизиро­ванный воздушный слой малой плотности над стратосферой, пере­ходящий в радиационные пояса Земли.

Однако каждый из слоев нельзя считать однородной средой. Электрические параметры тропосферы зависят от высоты над по­верхностью Земли. Кроме того, в ней непрерывно дуют ветры, пе­ремещая огромные воздушные массы и увеличивая их неодно­родность.

Эти особенности тропосферы и ионосферы и оказывают влия­ние на особенности распространения радиоволн. В неоднородной среде из-за различных скоростей распространения волн в раз­личных по свойствам объемах в первую очередь наблюдается ис­кривление или преломление волн, которое получило название ре­фракции. Кроме того, на неоднородностях происходит рассеивание энергии радиоволн в различных направлениях, в том числе и по направлению к точке приема.

Радиоволны, распространяющиеся на значительные расстояния (до 1000 км) за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы, а также за счет явления тропосферной рефракции, получили наз­вание тропосферных волн (точки А к С рисунке). Отметим, что тропосфера оказывает влияние только на электромагнитные вол­ны, длина которых меньше 10 м.

Радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния и даже огибающие земной шар в результате многократных отраже­ний от ионосферы и поверхности земли (в диапазоне волн длиннее 10 м), а также волны, рассеивающиеся на неоднородностях ионо­сферы (в диапазоне короче 10 м), получили название пространст­венных, или ионосферных волн.