Особенности распространения РВ различных диапазонов

Основы радиопередачи и систем радиосвязи

Если по электрическому проводнику протекает ток, вокруг него формируется магнитное поле. Ное есть два принципиально различных случая:

1.По проводнику протекает постоянный ток. Тогда магнитное поле вокруг проводника может существовать только пока по нему протекает ток. Прекращается ток – магнитное поле исчезает. По такому принципу работают, например, электромагниты.

2.По проводнику протекает быстро меняющийся ток. Вокруг проводника формируется электромагнитное поле и в окружающее пространство изучается радиоволна (РВ), в которой присутствуют одновременно и переменное электрическое поле и переменное магнитное поле. При этом изменение всех параметров РВ обусловливается изменением тока в проводнике.

Связь между длиной волны и ее частотой показана на рис. 1. Простейший радиопередатчик – это генератор высокой частоты (ГВЧ), подключенный со стороны выхода к антенне А и заземлению З. Антенной в самом простом случае может быть просто отрезок металлического проводника.

Если электромагнитная волна действует на проводник, в нем наводится переменный ток. Таким образом, электромагнитная волна может быть принята и преобразована в электрический сигнал, который можно в дальнейшем подвергнуть различной обработке. На этом основан принцип радиосвязи, рис.2. Формирователь высокочастотного сигнала (ФВС) передает в антенну электрическую мощность и эта антенна излучает в эфир радиоволну, которая принимается антенной приемника высокочастотного сигнала (ПВС). Таким образом организуется канал радиосвязи.

Простой радиопередатчик (РП), рис.3, представляет собой усилитель низкой частоты (УНЧ), к которому подключен микрофон М. Звук (голос) воспринимается М, затем усиливается УНЧ. Электрические колебания подводятся к антенне и излучаются в эфир в виде РВ. Но радиус действия такого РП очень мал (единицы или десятки м).

Дело в том, что для эффективного излучения РВ длина антенны должна быть соизмерима с длиной этой РВ. Обычно считается приемлемым, если длина антенны равна половине или четверти длины волны. Диапазон звуковых частот 20 … 20 000 Гц. Если передается простая речь, то средняя частота примерно 1 кГц. Тогда длина РВ будет 300 км. Понятно, что реализовать такую антенну – задача практически не выполнимая.

Рассмотрим пример. Радиовещательная станция, излучающая РВ частотой 150 кГц (2000 м длина РВ). Высота антенны такой радиостанции 200 м, что составляет 0,1 от ее длины волны. Такая ситуация является типовой для радиостанции, работающей в диапазоне длинных волн.

Поэтому в практике радиосвязи используют значительно более высокие частоты (их называют несущими частотами), которые модулируются относительно низкочастотными информационными сигналами, рис.4. Несущая, рис.4 а модулируется информационным сигналом, рис.4 б. в результате получается модулированный сигнал, рис. 4 в. Такой вид модуляции называется амплитудной модуляцией. При амплитудной модуляции частота сигнала не изменяется, но изменяется его амплитуда. Наряду с амплитудной применяют фазовую и частотную модуляцию.

Простой РП, рис.3, также не имеет смысла так как его антенна излучает РВ разных частот, а не одной конкретной частоты. Одним из требований, предъявляемых к РП является стабильность частоты излучаемой РВ. Поэтому реальный РП должен иметь схему формирования РВ стабильной частоты.

На рис. 5 показан принцип организации радиотелеграфной системы связи с использованием кода Морзе. ГВЧ запитан от источника питания ИП через телеграфный ключ ТК, с помощью которого в систему связи вводится передаваемая информация длинные и короткие импульсы постоянного напряжения. Эти импульсы преобразуются ГВЧ в высокочастотные сигналы и затем излучаются антенной в эфир. На противоположном конце системы связи передаваемые длинные и короткие высокочастотны импульсы принимаются антенной радиоприемного устройства РПУ, которое подключено к катушке реле Р1. Контакты реле К1 замыкают и размыкают электрическую цепь, управляющую узлом записи сигнала на лену (УЗСЛ). Таким образом, на ленте фиксируется информация в виде точек и тире. Системы связи такого рода широко применялись в начале прошлого столетия.

Дальнейшим этапом развития стало появление систем связи с аналоговой системой передачи звука, рис.6. Звуковой сигнал преобразуется микрофоном М в электрический сигнал, который усиливается УНЧ. Сигнал несущей частоты, создаваемой ГВЧ модулируется по амплитуде с помощью модулятора М, затем поступает на выходное устройство ВУ и передается в антенну. РПУ принимает радиосигнал и усиливает его. Выходной сигнал РПУ передается в динамик, преобразующий электрические колебания в звуковые волны.

Кроме амплитудной в системах связи широко используется частотная модуляция. Принцип частотной модуляции состоит в том, что несущая частота изменяется в некоторых пределах при изменении информационного сигнала, как это показано на нижеприведенном рисунке:

Важным параметром при рассмотрении частотной модуляции является девиация частоты, понимаемая как степень изменения несущей частоты при изменении информационного (модулирующего) сигнала на один вольт S_f. Единицей измерения S_f является кГц/В. Другими словами, девиация частоты показывает, насколько изменяется частота несущей при изменении напряжения модулирующего сигнала на 1 В.

Пусть частота несущей 80 МГц, S_f=10 кГц/В. Тогда для модулирующего сигнала, показанного на рисунке ниже,

получим следующие значения частоты модулированного сигнала:

Момент времени	Частота модулированного сигнала, кГц
1	80 010
2	80 020
3	80 030
4	80 040
5	80 030
6	80 000
7	79 990
8	79 980
9	79 975
10	79 980
11	79 990

Принцип действия РП с частотной модуляцией показан на рис.7. Генератор несущей частоты представляет собой усилитель напряжения УН, охваченный частотозависимой положительной обратной связью ЧЗПОС. Информационный сигнал ИС преобразуется схемой управления СУ и перестраивает резонансную частоту блока ЧЗПОС. На выходе такого генератора формируется выходной сигнал (ВС), являющийся, по сути, частотно модулированным сигналом (ЧМС). Чаще всего в блоке ЧЗПОС располагается колебательный контур с постоянной индуктивностью L_к и переменной емкостью С_к. В качестве конденсатора переменной емкости используется либо варикап, либо вариконд.

Варикап – специальный диод у которого емкость p-n – перехода зависит от величины обратного напряжения. Как известно, p-n – переход в диоде (область соприкосновения полупроводников p и n типа) характеризуется наличием зоны обедненной носителями заряда (выделенная область шириной R). Эта область аналогична диэлектрику в конденсаторе. Емкость варикапа равна отношению произведения площади перехода S на диэлектрическую проницаемость рассматриваемой области к R. Изменение обратного напряжения U_обр приводит к изменению R, а, следовательно, и к изменению емкости варикапа. При увеличении обратного напряжения R увеличивается и емкость варикапа уменьшается.

Таким образом, при использовании вместо С_к варикапа появляется возможность при изменении информационного сигнала изменять емкость колебательного контура и, следовательно, его резонансную частоту. В результате частота ВС, рис.7, получается зависимой от параметров ИС.

Вместо варикапа может использоваться специальный конденсатор - вариконд. В варикондах применяются диэлектрики (сегнетоэлектрики), диэлектрическая проницаемость которых зависит от приложенного напряжения. Принцип изменения частоты резонанса колебательного контура, реализованного на вариконде, показан на рис.9. Рис.9 демонстрирует принцип изменения емкости вариконда С_к при изменении приложенного к нему напряжения. С помощью регулировочного резистора R_р изменяется напряжение на вариконде. Для предотвращения шунтирования контура относительно малым по величине сопротивлением регулировочного резистора (единицы или десятки кОМ) в схему вводится добавочный резистор R_д, имеющий сопротивление на несколько порядков большее по сравнению с сопротивлением регулировочного резистора.

Влияние шунтирующего резистора на избирательную характеристику контура показано на рис.10. Без шунтирующего резистора колебательный контур имеет более ярко выраженную избирательную характеристику (показано синим цветом). Подключение шунтирующего резистора размывает избирательную характеристику контура (показано зеленым цветом). Чем меньше сопротивление резистора R, тем более ярко выражен эффект размывания избирательной характеристики колебательного контура.

Зачастую в системах связи используются импульсные сигналы. В этом случае применяются различные виды модуляции: амплитудно-импульсная модуляция (изменяется амплитуда импульсов); широтно-импульсная модуляция (изменяется ширина импульсов); фазово-импульсная модуляция (изменяется время появления импульсов).

Диапазоны РВ

В радиотехнике используется практически весь спектр электромагнитных колебаний (РВ) в диапазоне частот 10…10¹³ Гц. Учитывая некоторые особенности отдельных участков частотного спектра, его можно условно разделить на диапазоны, внутри которых волны обладают некоторыми общими свойствами, отличающими их от характеристик других диапазонов. Деление на диапазоны условно. Особенности одного диапазона плавно трансформируются в особенности другого диапазона, рис. 11. Границы между диапазонами Д_n и _Д_n₊₁ четко установлена. Но вокруг этой границы находится переходная область ПО (область перехода свойств одного диапазона в свойства другого диапазона).

Международная классификация диапазонов РВ основана на особенностях распространения РВ в канале связи (эфире, ионосфере, оптическом волокне, морской воде, земной коре).

1.Декамегаметровые РВ (крайне низкие частоты) 3…30 Гц (100 000…10 000 км).

2.Мегаметровые РВ (сверх низкие частоты) 30…300 Гц (10 000…1000 км).

3.Гектокилометровые (инфранизкие частоты) 300…3 000 Гц (1000…100 км).

РВ этих трех диапазонов применяются в специальных видах служебной и подводной связи. Такие РВ способны проникать в толщу морской воды и земной коры. Именно благодаря использования таких РВ осуществляется радиосвязь с подводными лодками и другими аналогичными аппаратами.

4.Мириаметровые РВ (очень низкие частоты) 3…30 кГц (100…10 км). РВ данного диапазона наряду с подводной и подземной связью используются в дальней радионавигации.

5.Километровые РВ (низкие частоты) 30…300 кГц (10…1 км).

6.Гектометровые РВ (средние частоты) 300…3 000 кГц (1000…100 м).

РВ двух последних диапазонов используются в радиовещании и радионавигации (в основном ближней радионавигации). На таких частотах работают навигационные радиомаяки, например, дальнеприводные и ближнеприводные аэродромные радиомаяки.

7.Декаметровые РВ (высокие частоты) 3…30 МГц. Используются в радиовещании, подвижной связи, радиотелеграфии, в так называемой загоризонтной радиосвязи и радиолокации.

8.Метровые РВ (очень высокие частоты) 30…300 МГц (10…1 м). Используются в радиовещании и телевещании, подвижной и самолетной радиосвязи, радиолокации и радиоастрономии.

9.Дециметровые (ультра высокие частоты) 300…3000 МГц (100…10 см). используются в телевидении, радиолокации, радиорелейной и космической радиосвязи. В данном диапазоне работают авиационные радиовысотомеры.

10.Сантиметровые РВ (сверхвысокие частоты) 3…30 ГГц (10…1 см). Используются в радиолокации, радионавигации, телевидении, космической связи и радиоастрономии.

11.Миллиметровые РВ (крайне высокие частоты) 30…300 ГГц (10…1 мм). Используются в радиолокации, космической связи и радиоастрономии.

12.Децимиллиметровые и субмиллиметровые РВ (гипервысокие частоты) 300…3 000 ГГц (1…0,1 мм). Используются в инфракрасной радиолокации и космической связи.

Распространение РВ

Теорию распространения РВ разработал Д. Максвелл. Им были сформулированы два фундаментальных положения: всякое изменение во времени магнитного поля вызывает появление вихревого электрического поля; всякое изменение во времени электрического поля приводит к появлению вихревого магнитного поля.

РВ распространяется во всем объеме пространства окружающего всенаправленную антенну. Параметры РВ в идеале должны быть одинаковыми на одном и том же удалении от излучателя, при этом рассматривается сфера заданного радиуса.

Интенсивность излучения (плотность потока мощности) РВ определяется по формуле:

П=Р_и/S_с=Р_и/(4πR²), где Р_и–мощность излучения РВ; S_с-площадь сферы.

Данная формула применяется для оценки потребной мощности РП для обеспечения уверенного приема его сигнала приемником, расположенным на заданном расстоянии от передатчика. При этом одним из самых важных параметров приемника является его чувствительность, которая измеряется в мВ/м или мВт/м².

Рассмотрим конкретную задачу. Пусть требуется определить минимальную возможную мощность, излучаемую в антенну РП, если требуется обеспечить уверенный прием сигнала РП приемником с чувствительностью 2 мВт/м², расположенный на расстоянии 1000 м от РП. Решим данную задачу:

Р_и=П4πR²=0,002 ^.4 ^.3,14 ^.(1000)²=25,12 кВт. Ответ: мощность в антенне РП должна быть не менее 25, 12 кВт.

Если чувствительность приемника задана в мВ/м, удобно пользоваться формулой:

Е_и=(30^.Р_и)^0,5/R, где Е_и– напряженность электрического поля на расстоянии R от антенны, излучающей мощность Р_и.

Рассмотрим задачу. Пусть необходимо определить, на каком расстоянии от передатчика отдающего мощность в антенну 270 Вт будет осуществляться уверенный прием его сигнала радиоприемником с чувствительностью 10 мВ/м. Решим задачу:

R=(30^.270)^0,5/0,01= 9000 м= 9 км. Уверенный прием сигнала, излучаемого передатчиком будет осуществляться в радиусе до 9 км.

На распространении РВ оказывают влияние земная поверхность и атмосфера, которые с физической точки зрения представляет собой среды с различными электрическими параметрами (электропроводностью, диэлектрической проницаемостью и т.д.). при прохождении через эти среды РВ испытывают преломление, отражение, затухание и частичное поглощение.

РВ могут отражаться от поверхности земли ПЗ, рис.12, но могут и распространяться вдоль поверхности земли, рис.13. Зачастую РВ распространяются за счет многократного отражения от ПЗ и ионосферы (скачковые волны). Если РВ распространяются вдоль ПЗ, то такие РВ называют поверхностными.

Обычно в учебниках приводятся рисунки, поясняющие распространение РВ, на которых ПЗ изображается в виде дуги. Это обусловлено тем, что господствующие позиции в современном естествознании заняла гипотеза, согласно которой форма Земли считается шарообразной. В дальнейшем рассмотрении будем изображать ПЗ в виде плоскости.

Основные слои атмосферы представлены на рис.14. Тропосфера неоднородна по электрическим свойствам, которые определяются атмосферным давлением, температурой и влажностью изменяющимися в зависимости от метеоусловий и времени года. Воздушные потоки интенсивно перемешивают газы тропосферы, что приводит к созданию локальных неоднородностей. Все это существенно влияет на распространение РВ в тропосфере.

Стратосфера отличается от тропосферы тем, что плотность газов в ней значительно меньше. С точки зрения электрических свойств стратосфера является почти однородной средой и РВ распространяются в ней прямолинейно со скоростью света и без значительных потерь.

Ионосферой называют верхние ионизированные слои атмосферы, которые образуются под воздействием солнечных лучей. В результате ионизации молекул воздуха возникают положительные ионы газа и свободные электроны. Чем больше концентрация свободных электронов, тем сильнее они влияют на распространение РВ.

На рис.15 показано строение ионосферы. Слой D характеризуется нерегулярным образованием ионосферы и существует только в дневные часы за счет солнечной радиации. В зависимости от времени года и суток изменяется лишь концентрация свободных электронов в данном слое.

Нижняя граница слоя Е (слоя Кеннели-Хевисайда) переменная. В дневные часы граница слоя Е понижается, ночью – повышается.

Верхний слой ионосферы F подразделяется на два подслоя F₁ и F₂. Верзняя граница слоя находится на высоте около 450 км.

Наличие в атмосфере слоя ионосферы существенно влияет на распространение некоторых типов РВ. Как и световые волны, РВ могут преломляться при переходе из одной среды в другую. Коэффициент преломления для РВ различной частоты уменьшается с ростом частоты РВ. Направление распространения РВ в ионосфере постепенно искривляется в сторону стратосферы. Степень преломления РВ зависит как от угла падения РВ на ионосферу, так и от ее частоты, рис.16. Если угол падения РВ на ионосферу меньше критического, РВ проходит сквозь ионосферу. Если угол падения РВ на ионосферу равен критическому, РВ сильно искривляется и распространяется затем в ионосфере. Если угол падения РВ на ионосферу больше критического, РВ отражается от ионосферы.

Величина критического угла зависит от концентрации свободных электронов в ионосфере N_э, рис.17. Чем выше частота (короче длина) РВ, тем меньше ее преломление при переходе через ионосферу. Существует понятие критической частоты РВ f_кр при котором РВ может отразиться от ионосферы, рис.17. В зависимости от N_э величина критической частоты изменяется от 2 до 10 МГц. Максимально применимая частота МПЧ, рис.17 – это частота при которой РВ способна отразиться от ионосферы.

Наибольшее влияние ионосфера и земная поверхность оказывают на длинные волны. Эти РВ распространяются как за счет дифракции (огибания) неровностей ПЗ, так и за счет отражения от ионосферы.

Част РВ распространяется в результате многократных поперечных отражений, рис.18, и тогда в антенну радиоприемника может прийти несколько радиолучей.

Особенности распространения РВ различных диапазонов

РВ с частотами до 50…100 Гц обладают уникальным свойством – проникать в толщу воды. Такие РВ используются для связи с подводными лодками. Типовой сеанс связи примерно таков. Данная система связи используется для предупреждения экипажа подводной лодки о необходимости всплытия и проведения традиционного радиообмена. Сама подводная связь малоинформативна. Аппаратура связи дорогая и сложная. Используются большие антенные поля. Электрические помехи достаточно стабильны и предсказуемы. С помощью таких РВ реализуется также подземная радиосвязь. В данном диапазоне РВ работает аппаратура радиоразведки полезных ископаемых и геологических исследований строения земли.

Километровые волны распространяются над поверхностью земли по двум траекториям – поверхностными РВ и пространственными РВ. Поверхностные РВ затухают слабо и распространяются за счет дифракции на расстояние до 2500 км. На большие расстояния волны распространяются за счет отражения от ионосферы. Волны хорошо отражаются как от ПЗ, так и от воды. Такой способ распространения РВ называется скачковым. Связь довольно устойчива и слабо зависит от времени года и суток.

Гектометровые РВ распространяются отлично километровым, но есть некоторые отличия. Днем РВ распространяются как поверхностные лучи на дальность до нескольких сотен километров. Дальность сокращается за счет повышенного поглощения РВ земной поверхностью и ионосферой. Ночью, когда ионизация газа в ионосфере существенно уменьшается, дальность распространения РВ увеличивается до нескольких тысяч и десятков тысяч километров. В ночное время возможен эффект замирания РВ из-за неоднородностей ионосферы в плане концентрации свободных электронов и перемешивания слоев под действием сильных ветров, имеющих место на больших высотах. Наблюдается эффект многолучевости – в приемную антенну могут прийти несколько радиолучей (РВ) с разными фазами, что приводит к интерференции. Амплитуда сигнала может изменяться в десятки и сотни раз. Особенно это характерно для подвижных объектов.

Декаметровые РВ (короткие волны) позволяют передавать радиосигналы на большие расстояния при относительно малых мощностях передатчиков. Появляется возможность создавать антенны с заметными направленными свойствами. Распространение поверхностных РВ ограничивается пределами прямой видимости из-за слабой дифракции и сильного поглощения энергии РВ земной поверхностью. На большие расстояния волны распространяются на большие расстояния за счет многократного отражения от ионосферы и ПЗ. Недостатком использования РВ данного диапазона является то, что в приемную антенну попадают несколько радиолучей, что приводит к интерференции, рис.19. Если приемник расположен в области интерференции ОИ, то в его антенну попадают сразу несколько радиолучей. На рисунке 19 показано, как в ОИ приходят два радиолуча: черный, падающий на ионосферу под большим углом и зеленый, падающий на ионосферу под меньшим углом. Вторым недостатком является формирование зон молчания, рис.20. РП излучает РВ. Часть РВ распространяется поверхностно, причем предельное распространение поверхностной волны ПРПВ имеет ограничение, после которого начинается зона молчания ЗМ. Заканчивается ЗМ там, куда попадает отраженная от ионосферы РВ. Для борьбы с интерференцией применяют несколько антенн, разнесенных в пространстве, рис.21. На рис.21 показаны две антенны, подключенные к радиоприемнику через промежуточное устройство – устройство обработки сигнала УОС. С помощью данных РВ реализуется так называемая загоризонтная радиолокация с дальностью обнаружения радиоотражающих объектов до 9 000…12 000 км.

Метровые, дециметровые и сантиметровые РВ практически не отражаются от ионосферы. Они распространяются в пределах прямой видимости. Возможны трассы дальнего тропосферного распространения таких РВ за счет рассеяния и отражения их на турбулентностях тропосферы, которые представляют собой достаточно протяженные и стабильные слои.

Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 82; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!