По международным соглашениям радиоволны делятся на ряд диапазонов (участков), имеющих неодинаковые свойства.

Длинные волны имеют длину волны от 3000 до 30 000 м и соответственно частоту от 10 до 100 КГц. В начале своего развития радиосвязь велась почти исключительно на таких волнах. Но для связи на большие расстояния при, помощи этих волн нужны передатчики огромной мощности. Кроме того, в диапазоне длинных волн невозможна одновременная работа большого числа радиостанций.

Дело в том, что для устранения взаимных помех при радиовещательной передаче необходимо каждой радиостанции отвести участок (полосу) частот примерно в 9 КГц. Нетрудно подсчитать, что в диапазоне длинных волн можно разместить без помех друг другу лишь 10 станций.

Единственным достоинством длинных волн является то, что дальность их действия в течение дня и ночи, лета и зимы меняется мало. Такого постоянства у других радиоволн нет. Сейчас на длинных волнах работает небольшое число радиостанций, передающих сигналы точного времени и метеорологические сводки.

Средние волны занимают диапазон 200 - 3000 м, или 100 - 1500 КГц. Волны 200 - 2000 м специально отведены для радиовещания и их условно подразделяют на "средние волны" от 200 до 580 м и "длинные волны" от 750 до 2000 м. На этих волнах можно разместить без взаимных помех 150 радиовещательных станций. Однако только в Европе число их значительно больше. Приходится одну и ту же волну давать нескольким станциям, что приводит к взаимным помехам. Только в случае если станции, работающие на одинаковых волнах, расположены на значительном расстоянии одна от другой, то взаимные помехи сказываются слабо или их вовсе нет.

В диапазоне 200 - 2000 м также работают телеграфные радиостанции: морские, авиационные, военные. Например, волна 600 м. предназначена для морской радиосвязи и выделена для передачи сигнала бедствия судами. На волнах 580 - 750 м работает много судовых и портовых радиостанций.

Промежуточные и короткие волны имеют соответственно длины волн 50 - 200 м (частоты 1500 - 6000 КГц) и 10 - 50 м (частоты 6000 - 30000 КГц). Однако на практике короткими волнами называют диапазон 10 - 200 м. Современные радиовещательные приемники обычно имеют диапазоны 25 - 75 м и 200 - 2000 м. На промежуточных волнах работают ведомственные телеграфные и телефонные радиостанции. В диапазоне 10 - 200 м можно разместить без взаимных помех 3000 радиовещательных станций, а радиотелеграфных станций гораздо больше, так как для них требуется более узкая полоса частот.

Короткие волны дают огромную дальность действия по сравнению с другими волнами при относительно небольшой мощности передатчиков. Недостатком коротких волн является сильная зависимость их распространения от времени суток и времени года. В настоящее время на коротких волнах работает множество радиостанций всех стран мира, в частности, радиовещательные и радиолюбительские станции. Этот диапазон, является самым "населенным".

Ультракороткие (метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые) волны занимают следующие диапазоны:

1). Метровые волны 1 - 10 м или 30 - 300 МГц;

2). Дециметровые волны 10 - 100 см или 300 - 3000 МГц;

3). Сантиметровые волны 1 - 10 см или 3000 - З0000 МГц;

4). Миллиметровые волны 1 - 10 мм или 30 000 - 300 000 МГц.

Ультракороткие волны (УКВ), называемые иначе ультравысокими частотами (УВЧ), или сверхвысокими частотами (СВЧ), применяются для связи наземных радиостанций, как правило, при сравнительно небольших расстояниях в пределах до 100 - 200 км.

В УКВ диапазоне можно разместить очень большое число радиостанций без взаимных помех. Эти волны являются единственно пригодными для связи с космическими кораблями и для передачи телевидения. УКВ можно излучать узким пучком, в определенном направлении, подобно лучам прожектора, что позволило успешно применить их в радиолокации.

В настоящее время ультракороткие волны широко используются для связи, радиолокации, радионавигации и в других областях науки и техники. Осваиваются также субмиллиметровые волны с длиной волны в доли миллиметра.

1.3 Распространение радиоволн над земной поверхностью

1.3.1 Электродинамические параметры различных видов поверхности Земли

Распространение земных радиоволн происходит непосредственно над полупроводящей сферической поверхностью Земли. Поэтому при рассмотрении этих вопросов совершенно необходимы знание электрических параметров различных видов поверхности Земли (т.е. её диэлектрической проницаемости и удельной электрической проводимости) и учет её неоднородностей.

Большая часть (71%) поверхности земного шара покрыта водой. С точки зрения электрических свойств, следует отличать соленую воду океанов, морей и некоторых озер от пресной воды озер и рек. В то время как при отсутствии ветра поверхность небольших озер и водоемов может быть зеркально гладкой, поверхность океанов и морей подвержена более или менее значительному волнению.

Встречаются следующие разновидности суши: влажная почва в виде полей, лугов и вспаханной земли; та же почва, покрытая кустарником и лесом; сухая почва в виде песков (пустыня); холмистая местность, покрытая растительностью, и скалистые, лишенные растительности горы. Вот далеко не полный перечень различных видов поверхности Земли.

При изучении особенностей распространения земных волн приходится в какой-то мере идеализировать условия, в которых протекают процессы распространения. Например, не представляется возможным учитывать непрерывные изменения свойств почвы на пути распространения волны. При практических расчетах довольствуются тем, что принимают во внимание только резкие изменения, например, береговую линию, границу между полем и большим лесным массивом.

Встречающиеся разновидности поверхности земного шара можно разбить на 2 группы: к первой относятся те виды поверхности земного шара, которые характеризуются незначительными неровностями, поэтому их непосредственно можно заменить сглаженной поверхностью с теми же электрическими параметрами; ко второй группе относятся поверхности со значительными неровностями, которые должны быть заменены сглаженной поверхностью с эквивалентными электрическими параметрами. Эквивалентные электрические параметры почвы выбирают из тех соображений, чтобы вызываемое реальной неровной поверхностью поглощение земных радиоволн соответствовало поглощению, создаваемому эквивалентной сглаженной поверхностью в заданном диапазоне частот.

Например, типичными поверхностями второй группы являются лес и большой город. Распространяющаяся над лесом волна поглощается, главным образом, за счет токов, наводимых ею в стволах и ветвях деревьев, которые можно рассматривать как своеобразные заземленные антенны из полупроводящего материала.

Разумеется, механизм поглощения энергии радиоволны лесом не имеет ничего общего с механизмом поглощения гладкой полупроводящей поверхностью. С другой стороны, можно подобрать электрические параметры гладкой полупроводящей почвы так, чтобы поглощение волн, распространяющихся над этой воображаемой почвой, было таким же, как и над лесом.

Таким же способом можно подобрать параметры гладкой полупроводящей поверхности, эквивалентной по своему поглощающему действию городу (в определенном диапазоне частот).

электромагнитная волна поверхность земля

В таблице 1 приведены средние значения действительных (для почв первой группы) и эквивалентных электрических параметров для различных видов поверхности Земли.

Таблица 1. Электродинамические параметры различных видов поверхности Земли.

Для проведения расчетов, относящихся к распространению земных волн, необходимо располагать данными о точных значениях электрических параметров почвы в различных районах страны. С этой целью в отдельных странах проводятся обширные работы по составлению карт проводимости почвы.

1.3.2 Распространение радиоволн в пределах прямой видимости над шероховатой поверхностью Земли

Земная поверхность существенно влияет на напряженность поля в месте приема. Если антенны приподняты над гладкой плоской поверхностью земли, то последняя отражает радиоволны, подобно тому, как зеркало отражает свет. К приемной антенне приходят две волны - прямая и отраженная. Длина пути этих волн различна и, следовательно, будут различны их фазы. Если волны приходят к приемной антенне в одной и той же фазе, то напряженность поля достигает наибольшего значения. Наименьшее значение получается в случае прихода волн в противоположных фазах (в противофазе). В результате по мере удаления от передатчика напряженность поля то возрастает, то резко падает, и лишь, начиная с некоторого расстояния, убывает плавно. На метровых волнах при небольшой высоте приемной антенны плавное спадание поля начинается уже на расстоянии нескольких километров от передатчика.

Рис. 1. Многолучевое распространение

Наибольший интерес представляет распространение УКВ над неровной поверхностью (покрытой горами, оврагами, лесами, строениями и т.п.). Над такой местностью отраженный от земли луч будет в месте приема ослаблен, так как земная поверхность представляет собой уже "кривое зеркало". Помимо этого луча, в точку приема могут приходить волны, отраженные от соседних высоких зданий и гор.

Над неровной местностью зависимость напряженности поля от расстояния и высоты неопределенна и почти не зависит от длины волны.

На расстояниях до 30 - 40 км среднее значение множителя V (4) над обычной пересеченной местностью грубо можно оценить по формуле

(1)

Если: h₁=100 м, h₂=10 м, R=10 км, то V=0,17.

Рис. 2. Влияние местности на напряженность поля

Характер влияния местности можно себе представить, глядя на Рис.3, где показан реальный профиль местности перед телецентром (верхний рисунок) и результат измерений напряженности поля на этой местности (жирная кривая на нижнем рисунке). В начале трассы местность ровная и напряженность поля убывает плавно, так же как над плоской поверхностью (ср. жирную и пунктирную кривые). На расстоянии 8 км местность приподнята, и напряженность поля растет. За холмом напряженность резко падает, это - область тени. За последующим холмом напряженность поля немного выше, чем поле, которое должно быть над плоской поверхностью. Это объясняется тем, что данный холм, благодаря своим определенным геометрическим размерам, "работает" как ретранслятор. Падающие на него волны он переизлучает во все стороны, в том числе и в область тени. Аналогичный эффект может наблюдаться в горах, причем может случиться так, что в приемную антенну попадут еще волны, отраженные от земли, на участках "передатчик - гора" и "гора - приемник". При благоприятном совпадении фаз волн напряженность поля может быть выше, чем на такой же трассе, но без горы. Этот эффект называется "усиление препятствием".

Земная поверхность никогда не бывает идеально гладкой. Даже равнинная местность покрыта большим числом хаотически расположенных неровностей. При интерференционной структуре поля земной волны на условия распространения оказывают влияние неровности местности, распределенные в пределах существенной зоны для отражения. При скользящем распространении необходимо учитывать неровности местности почти вдоль всей трассы. Если небольшие неровности земной поверхности в среднем распределены равномерно, то такую поверхность называют шероховатой. При распространении над шероховатой поверхностью происходит рассеяние поля земной волны, что является причиной ослабления плотности потока энергии в заданном направлении.

1.3.3 Атмосфера Земли и ее строение

Химический состав земной атмосферы в настоящее время изучен весьма тщательно. Атмосфера Земли представляет собой смесь молекулярного азота (78 %) и молекулярного кислорода (21 %). На долю прочих компонентов, главным образом водяного пара и некоторых инертных газов, приходится лишь 1 %. Физические параметры атмосферы Земли весьма сильно зависят от высоты. По этой причине общепринято рассматривать атмосферу как объединение двух областей: нижней атмосферы - области с высотами от нуля до 60 км, и верхней атмосферы, которая располагается в интервале высот от 60 до 20 000 км. В свою очередь, нижняя атмосфера делится на тропосферу (высоты до 15 км) и стратосферу (высоты от 15 до 60 км). Физические процессы в тропосфере и стратосфере определяют собой погодные и климатические явления на Земле. Они связаны с интенсивным массо - и теплообменом, а также переносом больших воздушных масс.

Верхняя атмосфера Земли, чаще называемая ионосферой, подвергается интенсивному облучению Солнца и других космических источников. За счет этого происходит ионизация атомов газов, что существенным образом влияет на характер распространения радиоволн в ионосфере.

Ионосфера - ионизованный слой планетарной атмосферы, где свободные электроны и ионы с низкой энергией находятся под непосредственным влиянием гравитационного и магнитного полей планеты.

Рис. 3. Слои ионосферы и распространение коротких волн в зависимости от частоты и времени суток, благодаря ионосфере становится возможной радиосвязь между разными точками на Земле

Ионосфера Земли лежит на высотах от 60 до 600 км, хотя ее толщина существенно меняется в зависимости от времени суток, сезона и уровня солнечной активности. Благодаря ионосфере становится возможной радиосвязь между разными точками на Земле. Ионосфера возникает в результате воздействия ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N² и кислорода О²) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли. Различают четыре слоя с разными характеристиками, которые в порядке увеличения высоты называют слоями D, E, F1 и F2 и различают в зависимости от плотности заряженных частиц N. Слой D, расположенный на высоте 50 - 90 км, имеет низкую электронную плотность. Основную часть ионосферы составляют слои E и F1 (90 - 230 км).

Слой D

Радиоволны длиной от 1000 до 10000 м называют длинными (частота 300-30 кГц), а радиоволны длиной свыше 10000 м - сверхдлинными (частота менее 30 кГц).

Длинные и особенно сверхдлинные волны мало поглощаются при прохождении в толще суши или моря. Так, волны длиной 20-30 км могут проникать в глубину моря на несколько десятков метров и, следовательно, могут использоваться для связи с погруженными подводными лодками, а также для подземной радиосвязи.

В этих диапазонах радиоволн для всех видов земной поверхности токи проводимости существенно преобладают над токами смещения, благодаря чему при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное поглощение энергии. Длинные волны хорошо дифрагируют вокруг сферической поверхности Земли.

Начиная с расстояния 300-400 км, помимо земной волны, присутствует волна, отраженная от ионосферы.

С увеличением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700-1000 км напряженности полей земной и ионосферной волн становятся примерно равными.

К средним волнам относятся радиоволны длиной от 100 до 1000 м (частоты 0,3 - 3,0 МГц). Средние волны используются главным образом для вещания. А так же они являются колыбелью отечественногорадиопиратства. Они могут распространяться земным и ионосферным путём. Средние волны испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, дальность распространения земной волны 1, (см. рис.4), ограничена расстоянием 500 - 700 км. На большие расстояния радиоволны 2 и 3 распространяются ионосферной (пространственной) волной.

Рис. 4 Распространение средних волн

В ночное время средние волны распространяются путем отражения от слоя Е ионосферы (см. рис.5), электронная плотность которого оказывается достаточной для этого. В дневные часы на пути распространения волны расположен слой D, чрезвычайно сильно поглощающий средние волны. Поэтому при обычных мощностях передатчиков, напряженность электрического поля недостаточна для приема, и в дневные часы распространение средних волн происходит практически только земной волной на сравнительно небольшие расстояния, порядка 1000 км. В диапазоне средних волн, более длинные волны испытывают меньшее поглощение, и напряженность электрического поля ионосферной волны больше на более длинных волнах. Поглощение увеличивается в летние месяцы и уменьшается в зимние. Ионосферные возмущения не влияют на распространение средних волн, так как слой Е мало нарушается во время ионосферно-магнитных бурь.

Рис. 5. Распространение средних волн в ночное время

Основной механизм распространения коротких волн. К диапазону KB (декаметровые волны) относят радиоволны с длиной волны от 100 до 10м. В отличие от более коротких волн, которые распространяются земной волной, декаметровые волны распространяются, в основном, путем отражении от ионосферы. Радиус действия земной волны в диапазоне коротких волн сравнительно невелик и при обычно используемых мощностях передатчиков не превышает нескольких десятков километров. Это обусловлено потерями в полупроводящей поверхности Земли и большими потерями в процессе дифракции вдоль Земли.

Но короткие волны могут распространяться на многие тысячи километров путем многократных последовательных отражений от ионосферы и Земли и для этого не требуются передатчики большой мощности.

Это уникальное свойство диапазона KB и используется для построения систем дальней связи. Кроме радиосвязи декаметровые волны широко используются для радиовещания, дальней (загоризонтной) радиолокации, исследования ионосферы и др. Однако ряд неблагоприятных особенностей распространения снижает эффективность использования этого диапазона. К таким особенностям следует отнести: многолучевость, сопровождающуюся глубокими замираниями; ограниченность неискаженной полосы передачи и скорости телеграфирования; подверженность влиянию ионосферных возмущений и др.

Рабочие частоты. Одной из основных особенностей KB радиолиний является ограничение рабочих частот, как со стороны высоких, так и низких значений, причем обе границы зависят от изменчивой структуры ионосферы, В результате на KB линиях, в отличие от линий других диапазонов, возникает необходимость периодической смены рабочих частот в соответствии с изменяющимся состоянием ионосферы. Верхняя граница рабочих частот определяется тем, что декаметровые волны, особенно коротковолновая часть этого диапазона (л?30 м), весьма критичны по условиям отражения от ионосферы. Максимальная частота, при которой отраженная от ионосферы волна может быть принята в заданном пункте приема, называется максимально применимой частотой (МПЧ).

1.5 Задача

,

Из этого, циклическая частота:

откуда искомая:

В грубом приближении при расчете радиолиний низкочастотных диапазонов (с частотами менее 1 МГц) земную поверхность можно приближенно считать идеально проводящей, что существенно упрощает решение любых задач о распространении радиоволн. С ростом рабочей частоты омические потери начинают сказываться все в большей степени. Это обстоятельство приводит к дополнительному ослаблению радиоволн.

Заключение