Распространение радиоволн

Радиоволны излучаемые антенной представляют собой электромагнитные и магнитные поля. Скорость распространения радиоволн в пространстве 300000 км/с. Длина волны λ (м) и частота f (МГц) связаны между собой соотношением:λ=300/f.

Такое соотношение удобно для практики, поэтому радиовещательные станции работают в диапазонах:
  • километровых - 30...300кГц
  • гектаметровых - 300кГц...3МГц
  • декаметровых - 3...30МГц
  • метровых - 30...300МГц
Телевизионное вещание ведется в метровом и дециметровом диапазоне от 300...3000МГц.
Диапазон принимаемый приемника звукового вещания распределен так:
  • ДВ - 148..285кГц(2027...1057м)
  • СВ - 525...1607кГц(571,4...186,7м)
  • КВ - 3,95...26,1МГц(75,9...11,49м)
  • УКВ - 65,8...74МГц(4,56...4,06)
  • FM - 87,5...108МГц(3,4...2,78)
КВ диапазон разбит на поддиапазоны:
  • 3,95...4МГц(75м)
  • 5,95...6,2МГц(49м)
  • 7,16...7,36МГц(41м)
  • 9,5...9,775МГц(31м)
  • 11,7...11,975(25м)
  • 15,1...15,45МГц(19м)
  • 17,7...17,9МГц(16м)
  • 21,45...21,75МГц(13м)
  • 25,6...26,1МГц(11м)
В диапазоне ДВ,СВ, КВ ведется вещание с использованием амплитудной модуляции (АМ), а в диапазоне УКВ и FM с использованием частотной модуляции (ЧМ и разновидность частотной фазовая ФМ)

Радиосвязь может осуществляться с помощью поверхностных и пространственных радиоволн.

Поверхностная радиоволна распространяется вдоль земной поверхности. Благодаря дифракции (Дифракция волн - нарушение прямолинейности распространения и сопутствующие ему интерференционные явления) она огибает неровности земного шара и распространяется на расстояния превышающие дальность прямой видимости.

Дифракция радиоволн возникает при встрече радиоволн с препятствием, отклоняясь от прямолинейного пути. Чем ниже частота сигнала, тем больше дальность распространения радиоволн.

Пространственная волна распространяется путем однократных или многократных отражений от ионосферы и земли.

В ДВ диапазоне устойчивый прием ведется на расстояние до 2500...3000км. Качество приема практически не зависит от времени суток и года. Но в этом диапазоне имеется высокий уровень атмосферных и промышленных шумов. В этом диапазоне можно разместить мало станций., так как радиопередатчики модулируют узким диапазоном частот до 7 кГц и используют их в основном для речевого вещания. Передача музыки и ДВ диапазоне будет иметь не высокое качество, за счет ослабления верхних частот спектра.

СВ диапазон - в нем расположено большое кол-во радиостанций, полоса частот модуляции не более 10кГц. Качество музыкальных передач то же будет не достаточно высоким.  За счет поверхностной волны удается обеспечит надежный прием до 1000 км, а в темное время суток дальность связи увеличивается за счет отраженных от ионосферы (пространственных радиоволн). Так же в зимнее время происходит улучшение дальности приема, за счет уменьшения поглощения радиоволн земной поверхностью. В этом диапазоне имеет место замирание сигнала (Замирания – это снижение уровня сигнала на входе приемника, связанные с изменениями факторов внешней среды и условий распространения радиоволн). На расстояниях, где в течении круглых суток доминирует поле поверхностной волны, замирание отсутствует. Далее расположена зона ближних замираний, где с наступлением темноты принимаемое поле является результатом интерференции соизмеримых по амплитуде поверхностной и пространственной волн. Последняя в следствии нерегулярных флюктуаций (Флуктуация — термин, характеризующий любое колебание или любое периодическое изменение) в ионосфере непрерывно изменяет свою фазу.

Интерференция радиоволн - это взаимное наложение радиоволн, приходящих в точку приема разными путями. Если амплитуды радиоволн одинаковы, то при совпадении их фаз результирующее поле удваивается, а при противоположной фазе - равно нулю, поэтому радиоволны приходящие к точке приема имеющие примерно одинаковую амплитуду но противоположные по фазе вызывают замирание сигнала.

В КВ диапазоне поверхностные волны сильно поглощаются почвой, по этому надежный прием возможен на расстояние не более 100км, так же из-за большой загруженности этого диапазона и высокого уровня помех от радиостанций вещание в КВ диапазоне чаще всего применимо в труднодоступных районах, где УКВ, CВ и ДВ оказываются не пригодными из-за ограниченного радиуса действия. Вещание в КВ диапазоне в определенной местности происходит с помощью отраженных от ионосферы волн. Электронная плотность ионосферы меняется в зависимости от времени суток и сезона, и замирание имеют интерференционное и поляризационное происхождение. Днем хорошо принимаются радиостанции работающие на более коротких волнах(25м и меньше), а ночью более оптимально использовать 75..31м под диапазон.

В УКВ и FM диапазонах применяется частотная модуляция и относительно низкий уровень помех позволяют получит высококачественный прием.
Из-за малой длины волны радиоволны распространяются только на расстояние прямой видимости. Если на пути радиоволны будет препятствие, то напряженность электромагнитного поля резко убывает.
Если предположить что поверхность земли имеет идеальную сферическую форму без препятствий для радиоволн на своей поверхности то можно рассчитать дальность связи при примой видимости:




где н1- высота передающей антенны в м, н2 - высота приемной антенны в м .

На рисунке показан пример приема радиоволн в трех точках.


В реальных условиях УКВ радиосигнал обладает большой способностью огибать препятствия. Земная поверхность существенно влияет на напряженность поля в месте приема. Если антенны приподняты на гладкой поверхностью земли, то последняя отражает радиоволны подобно, как зеркало отражает свет. В итоге к приемной антенне приходят 2-е волны - прямая и отраженная. Они будут разными по амплитуде и фазе, но если они придут в точку приема в одинаковой фазе то напряженность поля увеличится.

Больше всего интересует вопрос распространения УКВ и FM над неровной поверхностью, над такой местностью отраженный от земли сигнал будет ослаблен, так как земная поверхность представляет для сигнала кривое зеркало. Помимо всего в точки приема сигнала помимо основного сигнала могут отраженные волны.

На рисунке показан пример распространения радио волн с реальным профилем местности.

В начале местность ровная и напряженность поля убывает плавно, на расстоянии 8 км местность приподнимается и напряженность поля растет. За холмом напряженность поля резко падает, это область тени. За следующим холмом напряженность поля немного выше, чем поле  которое должно быть над ровной поверхностью. Это происходит благодаря тому что данный холм своими геометрическими размерами работает как ретранслятор. Падающие на него волны он переизлучает во все стороны, в том числе и в область тени.
Однако далее напряженность поля быстро уменьшается по мере увеличения расстояния, и тем быстрее чем короче волна. При высоте приемной антенны 10..20м напряженность дифракционного поля на расстояниях 100...150 км очень мала по сравнению с напряженность поля полученной благодаря дальнему тропосферному распространению УКВ и FM. Благодаря тропосферному распространению радиоволн зона прямой видимости расширяется на 20%. Но тем не менее из-за неоднородности тропосферы радиоволны приходят в точку приема со случайной фазой и амплитудой, что часто вызывает замирание сигнала, при этом практически вся излучаемая энергия метрового диапазона проникает через толщину тропосферы и не возвращается на землю.

Большая неоднородность поля в различных точках приема обусловлена интерференцией большого числа волн отраженных от различных препятствий, пример этого распространение волн в пределах города. Уровень отраженных сигналов в пределах города может составлять 50-60% от прямого сигнала.

Наличие отраженных волн приводит так же к изменению поляризации первичного поля:

Поляризация
 — для электромагнитных волн это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H. Когерентное электромагнитное излучение может иметь:
  • Линейную поляризацию — в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны;
  • Круговую поляризацию — правую либо левую, в зависимости от направления вращения вектора индукции;
  • Эллиптическую поляризацию — случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями.

Некогерентное излучение может быть не поляризованным, либо быть полностью или частично поляризованным.

При теоретическом рассмотрении поляризации волна полагается распространяющейся горизонтально. Тогда можно говорить о вертикальной и горизонтальной линейных поляризациях волны.

Так например если передающая антенна излучала волны с горизонтальной поляризацией, то при приеме в городских условия обнаруживается вертикальная составляющая, уровень которой в среднем составляет 30% от уровня горизонтальной составляющей.


Используемая литература и др. источники:

  • В.В. Бессонов - Электроника для начинающих (и не только)







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.