ГЛАВА 2. Частотные диапазоны, особенности распространения радиоволн в различных диапазонах
advertisement
ГЛАВА 2. Частотные диапазоны, особенности распространения радиоволн в различных диапазонах 2.1. Частотные диапазоны Весь спектр используемых в радиоэлектронике радиоволн Международный комитет по радиочастотам в настоящее время разбивает на двенадцать частотных диапазонов. Отношение верхней частоты диапазона частот к нижней частоте одинаково для всех диапазонов и равно 10. Границы частотных диапазонов кратны 3. Границы диапазонов, наименования диапазонов и области применения приведены в табл. 2.1. Таблица 2.1 Диапазон частот 1 2 3 4 Наиме- Со- НаимеN диа- нование кращ. нование пазо- (англ.) наимен. (англ.) на 1 2 3 Extremely ELF low frequency Super SLF low frequency Infra ILF low frequen cy Крайненизкие частоты Сверхнизкие частоты Инфранизкие частоты Диапазон радиоволн 5 6 7 Со- Границы Паралл. кращ. диапазо- термин нов наименован. частот КНЧ 3…30 Гц Декамегаметровые волны СНЧ 30…300 МегаГц метровые Волны ИНЧ 300… Гектоки3000 Гц лометровые волны 72 Область применен. 8 9 10 Границы Исполь Р/связь с диапазо- зуемые подвод. нов волн терми- лодками ны 100000… 10000 км - 10000… 1000 км - 1000… 100 км - Р/связь с подвод. лодками Р/связь с подвод. лодками Р/связь, радионавигация Продолжение таблицы 2.1 1 4 2 3 Very low frequency VLF 5 Low frequency LF 6 Medium frequency MF Средние частоты СЧ 7 High frequency HF Высокие частоты ВЧ 8 Very VHF high frequency Очень высокие частоты ОВЧ 30…300 Метровые 10…1 м МГц волны 9 Ultra UHF high frequency Ультра высокие частоты УВЧ 300… Децимет- 100…10 3000 МГц ровые см волны 10 Super high frequency SHF Сверх высокие частоты СВЧ 11 Extremely EHF high frequency Крайневысокие частоты КВЧ 30…300 Милли- 10…1 см ГГц метровые волны Hyper Гипервыhigh HHF сокие frequency частоты ГВЧ 300… Децимет- 1…0,1 мм 3000 ГГц ровые волны 12 4 Очень низкие частоты 5 ОНЧ НЧ Низкие частоты 6 3…30 кГц 7 8 9 Мириа- 100…10 Сверхметровые км длинные волны волны 30…300 Километ- 10…1 км ДлинкГц ровые ные волны волны 1000… Сред300… Гектоние 3000 метровые 100 м кГц волны волны 3…30 Декамет- 100…10 м Короткие МГц ровые волны волны 3…30 ГГц Санти- 10…1 см метровые волны 10 Радионавигация Р/связь, радионавигация Р/связь Р/связь, телевидение, радионавигация Ультра- Р/связь, корот- радионавигация кие волны Ультра- Радиокорот- локация, космичекие волны ское телевидение Ульт- Радиолокация ракороткие волны Ультра- Р/связь корот- за пределами кие волны атмосферы - Ведется освоение оптического спектра частот (3⋅1012…3⋅1016 Гц) для построения волоконно-оптических линий связи. Официальное разбиение этого спектра частот на диапазоны отсутствует. В табл. 2.2 приведены значения частот, используемых для радиосвязи, радиолокации и радионавигации в различных частотных диапазонах. Таблица 2.2 Частота Диапазон Применение 73 1 11,9; 12,6; 14,9 кГц 250…300 ; 84,102…85,8; 70,085…71,5; 112,136…114,400; 126,135…128,700 кГц 2182 кГц 2187,5 кГц 2174,5 кГц 518; 490 кГц 300…540 кГц 4210; 6314; 8416,5; 12579, 16806,5; 19680,5; 22376; 26100,5 кГц 4209,5 кГц 4207,5; 6312; 8414,5; 12577; 16804,5 кГц 4177,5; 6268; 8376,5; 12520; 16695 кГц 4125; 6215; 8291; 12290; 16420 кГц 3023; 5680 кГц частот 2 3 ОНЧ РНС АЛЬФА Круговые радиомаяки Ведущие станции РНС Декка НЧ Ведомые станции РНС Декка Ведомые станции РНС Декка Ведомые станции РНС Декка Радиотелефония при бедствии и для обеспечения безопасности СЧ ЦИВ для случаев бедствия и безопасности Радиотелекс при бедствии и для обеспечения безопасности НАВТЕКС Круговые маяки Передача береговыми станциями информации по безопасности мореплавания в коротковолновом диапазоне с использованием узкополосного буквоВЧ печатания НАВТЕКС ЦИВ в случаях бедствия и безопасности Радиотелекс в случаях бедствия и безопасности 156,8 МГц 156,650 МГц ОВЧ 156,525 МГц 156,3 МГц 121,5 МГц 1575,42 МГц 1602,56225…1615,5 МГц 1616…1626,5 МГц 1645,5…1646,5 МГц 1535…1543,5 МГц 1644,3…1644,5 МГц 1530…1644,5 МГц 1645,5…1646,5 МГц 406…406,1 МГц 399,968 МГц УВЧ Радиотелефония в случаях бедствия и безопасности Радиотелефония для связи с летательными аппаратами при поисково-спасательных операциях 16 канал, радиотелефония при бедствии и для обеспечения безопасности 13 канал, радиотелефония, относящаяся к безопасности навигации 70 канал для ЦИВ 06 канал, радиотелефония для связи с летательными аппаратами при поисково – спасательных операциях АРБ-121,5 МГц системы КОСПАС-САРСАТ РНС GPS РНС ГЛОНАСС Спутниковая система ИРИДИУМ Канал передачи ИНМАРСАТ – А Канал приема ИНМАРСАТ – А Канал передачи ИНМАРСАТ – В, С, М Канал приема ИНМАРСАТ – В, С, М ИНМАРСАТ – Е АРБ – 406 МГц системы КОСПАС – САРСАТ РНС ЦИКАДА Продолжение таблицы 2.2 1 2 74 3 9410±30 МГц 3050±30 МГц 9200…9500 МГц +200 33200 МГц -500 СВЧ КВЧ Радары Х – диапазона Радары S – диапазона РЛО Береговые РЛС БАЛТИКА – Б В таблице используются следующие сокращения: РНС - радионавигационная система; ЦИВ - цифровой избирательный вызов; РЛО – радиолокационный ответчик. Из двенадцати приведенных в таблице 2.1 частотных диапазонов в морской подвижной службе и в морской подвижной спутниковой службе для нужд радиосвязи, телевидения, радионавигации, радиолокации используются 4...11 диапазоны (8 диапазонов). Каждый из диапазонов имеет свои особенности, которые необходимо знать при работе с радиоэлектронной аппаратурой. Радиоканал передачи информации между точкой формирования излучаемого сигнала и точкой его приема и обработки содержит три последовательно соединенные звена - тракта. Передающий тракт включает в себя возбудитель, усилитель мощности с передающей антенной, приемный тракт – приемное устройство с антенной. Приемоизмерительный тракт включает в себя приемную антенну с координатами X, Y, Z, радиоприемник с устройствами первичной и вторичной обработки сигналов. Никакой из трактов не может исключаться из анализа работы радиотехнических систем. Тракт распространения радиоволн накладывает особенные требования на принципы построения радиотехнических систем. Предельно-достижимые эксплуатационно-технические характеристики радиотехнических систем: дальность действия и надежность принимаемой информации - в системах радиосвязи, дальность действия и точность определения координат - в системах радионавигации и радиолокации, четкость изображения - с системах телевидения существенным образом зависят от условий распространения радиоволн. 2.2. Три вида радиоволн 75 Рассмотрение процесса распространения радиоволн сводится к исследованию трех разновидностей радиоволн: • волна, распространяющаяся вдоль границы раздела воздух - земная (морская) поверхность, называемая земной (поверхностной) волной (рис.2.1.а); • волна, распространяющаяся путем однократного или последовательного многократного отражения от верхних слоев атмосферы (ионосферы) и поверхности Земли, называется пространственной волной (рис.2.1.б); • волна, распространяющаяся между земным пунктом и космической станцией (или наоборот), которая проходит через всю толщу атмосферы и часть космического пространства (рис.2.1.в), называемая прямой волной. Рис. 2.1 2.3. Основные физические свойства подстилающей поверхности Земли Поверхностные волны распространяются вдоль подстилающей поверхности Земли. Подстилающей поверхностью может быть суша, море. Поверхность Земли может быть гористой, равнинной, покрытой лесными массивами и пр. В реальных условиях подстилающая поверхность вдоль трассы распространения всегда неоднородна. Практически невозможно учесть все неоднородности Земли. При расчете радиотрассы свойства подстилающей поверхности Земли оценивают двумя среднестатистическими электрическими параметрами: относительной диэлек- 76 трической проницаемостью ε и проводимостью σ, которая измеряется в единицах См/м. Напряженность электрического поля и фаза высокой частоты поверхностной волны в месте приема определяется этими двумя параметрами. Для равнинной части суши примерные значения параметров: ε=4; σ =5⋅10-3 См/м; а для моря - ε = 80; σ = 4 См/м. Северные гористые территории имеют σ = 10-3 См/м. При распространении радиоволн над сушей глубина проникновения в почву не превышает единиц или десятков метров. С увеличением несущей частоты глубина проникновения уменьшается. Уменьшается также затухание радиоволн при отражении от земной или морской поверхности. Глубина проникновения в морскую воду на частотах более 10 МГц составляет единицы сантиметров, а на частотах около 15 кГц - десятки метров. 2.4. Основные физические свойства тропосферы Тропосфера - это часть атмосферы до высот h=12...18 км. Диэлектрическая проницаемость тропосферы зависит от температуры Т, давления Р и влажности ω. Коэффициент преломления тропосферы n до высот h ≤ 8 км для стандартной атмосферы уменьшается почти линейно по закону n = nо – g о h , (2.1) где для среднестатистической (нормальной) тропосферы n = 1,000289; g = gо = 0,00004 1/м. Скорость распространения радиоволн при этом увеличивается. Появляется наклон фронта волны, из-за чего радиоволна, проходя через слои тропосферы, претерпевает искривление траектории, появляется так называемое явление рефракции. Для стандартной тропосферы радиус кривизны траектории волны примерно равен четырем радиусам Земли. На рис. 2.2 приведены траектории волн для отрицательной (g < 0), нормальной, критической (g = 4gо) и сверх-рефракции (g >4 gо). При отрица77 тельной рефракции радиоволна уходит за пределы земной атмосферы. При нормальной рефракции дальность распространения радиоволн возрастает на 16% по сравнению с прямой видимостью. Рис. 2.2 2.5. Основные физические свойства ионосферы Ионосфера - часть атмосферы с высотами от 50 км до 10...20 тыс. км. На условия распространения радиоволн в основном влияет ионосфера на высоте 50… 2000 км. Диэлектрическая проницаемость ионосферы в значительной степени зависит от концентрации свободных электронов Nэ. Концентрация свободных электронов на данной высоте зависит от времени суток, сезона, солнечной активности, скорости перемещения слоев ионосферы по вертикали и горизонтали. Концентрация электронов Nэ в среднем, как правило, монотонно увеличивается с высотой, достигая главного максимума на высоте 350...400 км. Усредненные значения концентрации электронов в дневное и ночное время суток в зависимости от высоты ионосферы приведены на рис. 2.3. Для дневного времени суток характерно наличие слоев ионосферы D, E, F1, F2, для ночного времени – лишь двух слоев: Е, F2. Во всех слоях наблюдаются мак78 симумы концентрации электронов. Коэффициент преломления nи ионосферных слоев существенно зависит как от несущей частоты f, так и от концентрации электронов Nэ по формуле: nи = 1 − 81N э . f2 (2.2) Рис. 2.3 Радиоволны могут распространятся лишь при вещественном значении nи, т.е. величина 81N э не может быть больше 1. С учеf2 том этого вводится понятие критической частоты, которая определяется при максимальной концентрации электронов Nэ,max в слое ионосферы при вертикальном падении радиоволны на этот слой. Значение критической частоты можно получить из выражения f кр = 81N э,max . 79 (2.3) Для каждого слоя может быть определена своя критическая частота. Критические частоты слоев Е, F1, F2 измеряются с помощью ионосферных станций методом вертикального зондирования. На станциях излучаются вертикально вверх импульсы на разных несущих частотах, и измеряется время задержки и уровни отраженных сигналов. На частотах меньших критической радиоволны возвращаются на Землю. Непрерывно работают около сотни ионосферных станций, расположенных в различных районах Земного шара от северного до южного полюсов. Типичный закон изменения критических частот в зависимости от времени суток приведен на рис.2.4. Из рис.2.4 видно, что максимальные значения критических частот соответствуют двенадцати часам дня, критические частоты для слоя F2 наибольшие по величине и достигают десяти МГц. Рис. 2.4 Начиная с нижней границы ионосферы, где Nэ мало, коэффициент преломления nи уменьшается с ростом высоты. Как и в случае стандартной тропосферы, в рассматриваемом случае с ионосферой наблюдается явление рефракции - искривления траектории распространения радиоволн. Волна может возвратиться на Землю. Это явление называется отражением от ионосферы. Если радиоволна падает на слой ионосферы под углом θ (рис. 2.5), то эта волна будет возвращаться на Землю при выполнении условия: sin θ = 1 − 81 80 Nэ . f2 (2.4) Рис. 2.5 С учетом (2.3) получим значение максимальной применимой частоты (МПЧ): f МП = f кр sec θ . (2.5) Последнее соотношение называется законом секанса. Закон секанса позволяет определить значение максимальной применимой частоты fМП , при которой волна, падающая на слой ионосферы под углом θ, возвращается на Землю, если известна по результатам вертикального зондирования величина критической частоты fкр. Значение fМП ≥ fкр. Большинство радиотелексных терминалов ПВ/КВ радиоустановок приближенно рассчитывают значение fМП по данным координат собственного судна, координатам вызываемой береговой станции, текущему времени суток и значениям точки стояния солнца. Если f< fМП, то при этом значении частоты волна также возвратится на Землю, но поглощение в ионосфере возрастает, что приводит к снижению напряженности поля в месте приема. Наименьшая частота fНП , при которой напряженность поля снижается до минимально допустимого уровня, называется наименьшей применимой частотой (НПЧ). Оптимальная рабочая частота выбирается из соотношения fр ≤ (0,8...0,9) fМП. 81 (2.6) С учетом рис. 2.4 следует, что в дневное время суток значения оптимальных рабочих частот примерно в 2 раза превышают значения рабочих частот в ночное время суток. Из расчетов и измерений известно, что максимальные частоты волн, отражающиеся при наклонном падении, имеют верхний предел около 30...40 МГц, т.е. во всем диапазоне ВЧ радиосвязь может быть возможна. Можно рассчитать время задержки пространственной волны при однократном отражении относительно поверхностной, которое определяется (рис. 2.5) из очевидного соотношения τ зад = rAB + rBC − rAC , C (2.7) где С – скорость распространения радиоволн. Постоянное магнитное поле Земли вызывает явление анизотропии ионосферы (эффект Фарадея, Коттон-Мутона и др. (см. раздел 2.12), вследствие чего при выходе из ионосферы линейнополяризованная волна меняет плоскость поляризации и приобретает круговую поляризацию. Необходимость учета влияния этих факторов возникает, например, в спутниковых системах связи, радионавигации. Для уменьшения потерь радиоволны излучаются и принимаются антеннами с круговой поляризацией. 2.6. Особенности распространения радиоволн в диапазоне очень низких частот (3…30 кГц) В диапазоне очень низких частот на участке 10...14 кГц работает сверхлинноволновая фазовая разностно-дальномерная радионавигационная система АЛЬФА (Россия). Этот диапазон частот для радиосвязи морской подвижной службы не используется. Точность определения места судна по результатам измерения разностей фаз между высокочастотным заполнением сигналов, излучаемых станциями радионавигационной системой АЛЬФА, зависит от точностей прогнозируемых поправок на условия распространение радиоволн. Поправки к измеренным фазам зависят от электрических свойств подстилающей поверхности и параметров атмосферы. 82 Если поправки в отсчеты разностей фаз не вводить, то может возникнуть хорошо известное в теории радионавигации явление “неустранение многозначности отсчетов”, при котором погрешность определения координат места судна будут исчисляться не единицами, а десятками единиц километров. Задача ввода поправок с приемлемой точностью может быть решена, если известно аналитическое описание процесса распространения радиоволн в этом диапазоне. В диапазоне 3...30 кГц подстилающая поверхность Земли является хорошим проводником с коэффициентом отражения близким к единице. Нижние слои ионосферы высотой 60...70 км (слой D днем) и 85...100 км (слой Е ночью) также обладают почти идеальными отражающими свойствами. Таким образом, образуется сферический волновод вокруг Земного шара. Радиоволна приобретает волновой характер начиная с удаления свыше 2000 км от передающих станций, поэтому поправки на разности фаз могут быть рассчитаны с достаточной точностью лишь на этих удалениях. Сигнал в месте приема представляется в виде суммы модов m z r e = ∑ E S cos(πS ) sin ω (t − ), h CS S =0 (2.8) где: E S - амплитуда S -го мода: z - расстояние от поверхности Земли; h – высота отражающего слоя; S = 0,1, 2...n - номер мода; r - расстояние до станции; СS - скорость распространения радиоволны S-ого мода (СS >C). Наибольшее значение для сверхдальнего распространения мириаметровых волн имеет первый и второй моды. Остальные моды обладают очень большим коэффициентом затухания и мало влияют на результирующий сигнал в точке приема. Размеры природного волновода претерпевают суточные и сезонные изменения в зависимости от освещенности его верхних границ (ионосферы), от цикла солнечной активности. Имеют место и аномальные трудно прогнозируемые явления, вызванные ионосферными и магнитными бурями. Поправки зависят также от направления трассы распространения радиоволн (восток - запад или запад - 83 восток) относительно геомагнитного поля Земли, от высоты над уровнем Земли, от электрических свойств подстилающей поверхности Земли. Несомненным преимуществом этого частотного диапазона является относительно большая глубина проникновения электромагнитных волн в водную среду. Определение координат места по сигналам радионавигационной системы АЛЬФА возможно подо льдом на глубинах до 30 м. Для расчета действующего значения напряженности поля в месте приема широко применяется полуэмпирическая формула Остина (2.9): Eд ( мВ / м) = 300 P(кВт) θ ( рад) ⎛ r (км) ⎞ ⎟, exp⎜⎜ − 0,0014 0, 6 sin θ r (км) λ (км) ⎟⎠ ⎝ (2.9) где θ - центральный угол, определяемый пунктами приемапередачи и центром Земли. Для удаления 10000 км θ ≈ 90о. Получим: Eд ( мВ / м) ≈ 300 P(кВт) ⎛ r (км) ⎞ ⎟ . (2.10) exp⎜⎜ − 0,0014 0,6 r (км) λ (км) ⎟⎠ ⎝ Заметим, что первая дробь в предыдущих равенствах справа выражает так называемую формулу идеальной радиопередачи, которая позволяет рассчитать величину эффективной напряженности поля при использовании вертикальной антенны на хорошо проводящей плоской поверхности. 84 2.7. Особенности распространения радиоволн в диапазоне низких частот (30…300 кГц) В диапазоне низких частот работают радиомаяки, фазовая радионавигационная система ДЕККА (Великобритания), импульсно-фазовые радионавигационные системы ЧАЙКА (Россия), Лоран - С (США). Все эти диапазоны используются не для радиосвязи, а радионавигации. Радиомаяки работают на частотах выше 250 кГц, радионавигационная система ДЕККА излучает посылки на нескольких несущих частотах в участке 60...130 кГц, системы ЧАЙКА и Лоран - С работают на фиксированной несущей частоте 100 кГц. В дневное время нижний слой D ионосферы полностью поглощает пространственные сигналы и дальность распространения радиоволн определяется лишь земными волнами. Дальность действия радиомаяков лежит в пределах 30…430 км, системы ДЕККА около 200 км, систем ЧАЙКА, Лоран - С около 1000 км. Ночью слой D исчезает, и радиоволны отражаются с незначительными потерями от слоя Е, достигая поверхности Земли на удалениях, где интенсивность земных сигналов пренебрежимо мала. Поэтому дальность распространения радиоволн ночью возрастает, однако фаза несущей частоты сигналов отличается большой нестабильностью. Задержка n - кратно отраженного от ионосферы сигнала по отношению к n-1 - кратно отраженного при n ≥ 2 определяется величиной τ зад = rn − rn −1 , C (2.11) где: rn , rn −1 - общие длины путей, пройденные радиоволнами при n и n-1 - кратных отражениях. Рис.2.6 иллюстрирует случай трех-кратного отражения. 85 Рис. 2.6 2.8. Особенности распространения радиоволн в диапазоне средних частот (300…3000 кГц) В средневолновом (гектометровом) диапазоне осуществляется радиосвязь морской подвижной службы (однополосная телефония, телеграфия, фототелеграфия, работают радиомаяки на частотах 300…540 кГц. Различают три зоны приема сигналов. Зона уверенного приема соответствует расстояниям до 200 км, где доминирует в дневное и ночное время земная волна, отличающаяся стабильными во времени параметрами. Зона ближних замираний соответствует удалениям, на которых в ночное время интенсивности земного и однократно отраженных от ионосферы сигналов соизмеримы. В точке приема отраженные от ионосферы сигналы интерферируют с земным сигналом, вследствие этого возникают замирания. Временной интервал корреляции замираний исчисляется десятками секунд. Зона таких замираний лежит на удалениях 200...400 км. Зона дальних замираний соответствует удалениям от 400 до 600 км, на которых ночью доминируют лишь отраженные сигналы, отражающиеся два и более раз от ионосферы. Глубина и скорость замираний здесь меньше, чем в зоне ближних замираний. На рис. 2.7 и рис. 2.8 приведены графики напряженности поля при мощности излучения 1 кВт для поверхностной (земной) волны в децибеллах к 1 мкВ/м для суши и моря для различных частот. На этих же графиках приведены значения напряженности поля для идеальной среды, рассчитанные по формуле ⎛ мкВ ⎞ 3 ⋅ 10 . По сравнению со случаем идеальной среды E⎜ ⎟= ⎝ м ⎠ r ( км) 5 86 наблюдается значительно большее затухание сигналов при распространении вдоль земной поверхности. Это отличие возрастает с увеличением частоты. Из графиков видно, что на удалении 200 км напряженность поля над морем для частоты 1 МГц более чем на 60 дБ (в 1000 раз) превышает напряженность поля над сушей. Для моря на удалении 500 км напряженность поля при одной и той же мощности излучения на частоте 300 кГц по сравнению с частотой 1 МГц больше на 20 дБ (в 10 раз). Рис. 2.7 Рис. 2.8 87 2.9. Особенности распространения радиоволн в диапазоне высоких частот (3…30 МГц) В диапазоне высоких частот (декаметровом диапазоне) работает радиосвязь морской подвижной службы (судовые и береговые радиостанции с классами излучений: однополосная телефония, телеграфия, фототелеграфия. С учетом реальных мощностей излучения судовых передатчиков прием земных сигналов оказывается возможным лишь на удалениях до нескольких десятков километров. Далее начинается так называемая зона молчания (см рис. 2.9). Внешняя граница зоны молчания определяется расстоянием минимального скачка пространственной волны. Рис. 2.9 Ионосферные волны распространяются на многие тысячи километров, отражаясь от поверхности Земли и соответствующих слоев ионосферы, обеспечивая тем самым неограниченную дальность радиосвязи. Для описания особенностей распространения радиоволн необходимо учитывать множество факторов: минимальное расстояние скачка rc ; число скачков m; угол падения на нижнюю границу ионосферы θ ; значения максимально применимой частоты (МПЧ), наименьшей применимой частоты (НПЧ), оптимальной рабочей частоты (ОРЧ); распределение вероятности быстрых флюктуаций уровня сигнала в месте приема; вид ампли- 88 тудно-частотной характеристики тракта распространения радиоволны; степень искажения формы сигналов в месте приема и т.д. Минимальное расстояние скачка для частоты f рассчитывается с помощью приближенного выражения rc ( км) = 2hи ⎛ ⎜ ⎜ ⎝ ⎡⎛ 1 + ⎢⎜ ⎢⎜⎝ ⎣ 2 f ⎞⎟ −1 f кр ⎟⎠ , 2 ⎤ h f ⎞⎟ − 1⎥ и f кр ⎟⎠ ⎥ rз ⎦ (2.12) где f кр - значение критической частоты, hи - высота отражающего слоя ионосферы, rз = 6370 км - радиус Земли. При f = f кр минимальное расстояние скачка равно нулю, с увеличением рабочей частоты это расстояние увеличивается, достигая максимума при f = f МП . На трассах длиной менее 4000 км наблюдается шесть моделей траекторий распространения радиоволн. Вероятность существования каждой из моделей различна и зависит от длины трассы. Для средних широт и при среднем уровне солнечной активности проценты времени существования шести моделей распространения радиоволн для разных длин трасс приведены в таблице 2.3. Вид моделей 1F означает однократно отраженную волну от слоя F; 1F - совокупность однократно отраженных волн от ∑ слоя F; 2F – двукратно отраженную волну от слоя F; 2F + 1F – совокупность двукратно и однократно отраженных волн от слоев F и Е; 2F + 2E – совокупность двукратно отраженных волн от слоев F и Е; 2Е – двукратно отраженную волну от слоя Е. 89 Таблица 2.3 Длина трассы (км) 1500 3000 4000 1 1F 7 50 38 Номера и вид моделей распространения 2 3 4 5 2F 2F +1E 2F + 2E Σ1F 0 0 5 64 0 14 9 6 18 0 7 29 6 2E 24 12 8 Из табл. 2.3 следует, что для трассы длиной 1500 км наибольший процент времени (64%) занимает пространственная волна, дважды отразившаяся от слоев F и E. Для трассы длиной 3000 км - однократно отразившаяся волна от слоя F занимает 50% общего времени, а для трассы длиной 4000 км - 38% общего времени. Номера моделей 4 и 5, отличающиеся суммированием волн с разным числом скачков или волн, отраженных от разных слоев ионосферы, носят название двухлучевых моделей распространения. Разность протяженностей лучей для двухлучевых моделей достигает нескольких сотен километров, что соответствует разности времени прихода лучей до нескольких миллисекунд. Так как период высокой частоты в декаметровом диапазоне лежит в пределах 0.3...0.03 мкс, то прием двухлучевых сигналов всегда сопровождается быстрыми замираниями . Быстрые замирания возникают и в модели 2, когда вследствие эффекта Фарадея замирание сигналов возникает из-за изменения поляризации принимаемых радиоволн. Распределение вероятности быстрых флюктуаций уровня сигнала хорошо аппроксимируется законом Релея, средний интервал превышения десятипроцентного уровня сигнала равен 5 секундам. Амплитудно-частотная характеристика двухлучевой модели распространения радиоволн может быть получена на основе анализа линейной схемы, приведенной на рис 2.10. 90 Рис. 2.10 При одинаковой амплитуде лучей Е и при задержке одного луча на время τ на выходе сумматора получим e вых = E sin ω (t − τ ) + E sin ωt . Огибающая суммы E вых = 2 E cos ωτ / 2 , что позволяет счи- тать, что частотная характеристика K (ω ) двухлучевой трассы имеет вид K (ω ) = E вых ωπ = 2 cos . E 2 (2.13) Амплитудно-частотная характеристика двухлучевой трассы приведена на рисунке 2.11. Рис. 2.11 Минимумы амплитудно-частотной характеристики соответствуют частотам, отстоящим друг от друга на величину Δf = 1 / τ . 91 Если τ =2 мс, то частоты, отстоящие друг от друга на 500 Гц, будут полностью подавлены. Одинаковая интенсивность двух лучей в месте приема маловероятна, поэтому амплитудно-частотная характеристика не имеет нулевых минимумов, однако при однополосной телефонии, когда ширина спектра сигнала не превышает 3 кГц, ряд частотных составляющих могут быть полностью или частично подавлены. Возникают сложности и при телеграфной радиосвязи. Для того, чтобы отраженные от ионосферы сигналы от предыдущих посылок минимально накладывались на последующие, в большинстве используемых систем передачи дискретной информации выбирается длительность излучаемых посылок примерно в 2,5 раза больше максимальной задержки сигналов в многолучевом тракте. На трассах длиной 500; 3000 и 4000 км расчетные значения задержек в простейшем двухлучевом канале соответственно достигают величин 2,8; 1,5 и 2 мс. Поэтому для указанных длин трасс необходимо, чтобы скорости передачи соответственно не превышали 143; 267 и 200 бит/с. На практике скорости передачи дискретной информации для подвижной морской службы выбираются в пределах 50 или 100 бит/с. Заметим, что трасса длиной 3000 км является наиболее предпочтительной, т.к. вероятность двухлучевых моделей распространения мала. Для межмашинного обмена цифровой информацией используются высокоскоростные системы со скоростью передачи 1200...1600 бит/с. Длительности импульсов при таких скоростях меньше минимально-возможной задержки прихода одного луча относительно других лучей. Однако, на таких скоростях возникают так называемые дисперсионные искажения, в результате чего радиоимпульсы "расплываются" в месте приема, что приводит к возрастанию вероятности ошибок. Поэтому в диапазоне ВЧ передача дискретной информации с высокой достоверностью возможна либо путем использования специальных кодов с обнаружением ошибок (ошибки корректируются путем перезапроса), либо кодов с коррекцией ошибок за счет избыточности. 92 Количественная оценка крайних частот рабочего диапазона (МПЧ и НПЧ) производится на основе месячных прогнозов максимальных применимых частот. Расчет оптимальных рабочих частот (ОРЧ), лежащих в основе волнового расписания, ведут с учетом этих прогнозов. Выбор ОРЧ наиболее сложен в полярных областях, где флюктуации МПЧ особенно велики и рекомендуемые ОРЧ могут быть менее МПЧ не на 10...20 процентов, а на 40 процентов. Наиболее трудно составить волновое расписание для линий, ориентированных вдоль параллелей, когда часть трассы является "дневной", а другая часть - "ночной". Для обеспечения надежной радиосвязи для таких протяженных линий обычно выделяется несколько сменных фиксированных частот. На каждый месяц составляется волновое расписание, которое указывает, на каких из выделенных частот следует работать в различные часы суток. Для этого на данный период рассчитываются и строятся зависимости ОРЧ и НПЧ от времени суток (рис. 2.12). В каждый данный период времени работа может вестись на частоте не выше ОРЧ и не ниже НПЧ. Из выделенного набора частот выбираются частоты ближе к ОРЧ, т.к. при этом устойчивость работы повышается. Рис. 2.12 Расчет действующего значения напряженности поля в месте приема достаточно сложен, недостаточно точен производится по формуле 93 E д ( мкВ ) = 100 P ( кВт) 0,8 n −1 e − Г , r ( км) (2.14) где: n - число отражений от ионосферы; Г≈1,2 - интегральный коэффициент поглощения в ионосфере, рассчитываемый с помощью графиков в зависимости от длины радиолинии и высоты отражающего слоя. 2.10. Диапазон промежуточных волн Термин "промежуточный диапазон волн" в международной терминологии не принят, но используется в радиосвязи морской подвижной службы России. Частоты этого диапазона занимают промежуточное положение между СЧ и ВЧ диапазонами. Условные границы промежуточного диапазона волн 1,6...4,0 МГц. 2.11. Диапазон ультракоротких волн Диапазоны ОВЧ, УВЧ, СВЧ и КВЧ часто сводят в один общий диапазон, который называют диапазоном ультракоротких волн (УКВ). Объединение четырех диапазонов в один объясняется тем, что условия распространения радиоволн в этих диапазонах примерно одинаковы. Важнейшими особенностями распространения радиоволн в диапазоне УКВ являются: • Преимущественное распространение в зоне прямой видимости и за пределами прямой видимости вследствие явления рефракции в тропосфере и ионосфере; • Прохождение прямой волны через слои тропосферы и ионосферы с незначительными потерями, что позволяет создавать спутниковые системы связи и радионавигации; • Отражение радиоволн от препятствий на пути распространения, величины которых соизмеримы с длиной волны. Такими препятствиями в диапазоне ОВЧ являются дома, холмы; в диапазоне УВЧ - верхнепалубные устройства судна: мачты, трубы; в диапазоне СВЧ - капли дождя, частицы сне- 94 га; в диапазоне КВЧ - частицы тумана. Это свойство используется при построении радиолокационных станций в диапазонах СВЧ и КВЧ. Несмотря на общность свойств распространения радиоволн в диапазоне УКВ, в каждом из четырех диапазонов: ОВЧ, УВЧ, СВЧ и КВЧ используются разные виды систем связи, радиолокации и радионавигации. Поэтому целесообразно эти четыре диапазона рассмотреть раздельно. 2.12. Особенности распространения радиоволн в диапазоне очень высоких частот (30…300 МГц) В диапазоне ОВЧ работают УКВ радиотелефонные станции, телевидение (для передачи и ретрансляции используются наземные передающие станции с высокими антеннами), низкоорбитальная спутниковая радионавигационная система ЦИКАДА (Россия), спутниковая система определения местоположения терпящих бедствие объектов КОСПАС-САРСАТ. Для системы ЦИКАДА выделены диапазоны 149,9... 150,05 МГц, для системы КОСПАС-САРСАТ- частота 121,5 МГц. Судовые УКВ радиотелефонные станции работают в диапазоне 156...174 МГц. Частота 156,525 МГц выделена в ГМССБ для передачи цифровых последовательностей при цифровом избирательном вызове. При телефонии используется частотная модуляция несущей с максимальной девиацией частоты ±5 кГц (максимальная частота модуляции – 3 кГц). Устойчивая работа станций ограничена расстоянием прямой видимости с учетом средней рефракции радиоволн в стандартной тропосфере. Предельная дальность прямой видимости rд (км) с учетом рефракции, если приемная и передающая антенны расположены на высотах h1, h2 (h1 >λ , h2 > λ), определяется выражением rдэ ( км) = 4,12( h1 ( м ) + h2 ( м) . 95 (2.15) В правилах «По оборудованию морских судов» Российского морского регистра судоходства с целью повышения надежности для определения дальности УКВ радиосвязи предлагается использовать формулу rдэ ( км) = 2,5( h1 ( м) + h2 ( м) . (2.16) Однако нередки случаи, когда дальность радиосвязи значительно превышает расчетную величину, получаемую по формулам (2.15), (2.16). Это случаи «критической рефракции» и «сверхрефракции». При «критической рефракции» радиоволны распространяются вдоль поверхности Земли, при «сверхрефракции» радиоволны многократно падают на Землю и отражаются от нее. Это явление похоже на распространение радиоволн в волноводном канале. Дальность радиосвязи при наличии волноводных каналов может в десятки раз превышать расчетные величины. Волноводные каналы возникают в теплые вечера с наступлением темноты, когда слои воздуха, примыкающие к поверхности Земли, быстро охлаждаются, а на высоте нескольких десятков метров температура воздуха некоторое время сохраняется или даже возрастает. Такая инверсия температуры возникает иногда в условиях антициклона и при переносе сухого воздуха с суши на более холодную поверхность моря. Явления «критической» и «сверхрефракции» не являются устойчивыми. При распространении радиоволн через ионосферу необходимо, как отмечалось в разделе 2.5, считаться со сложным явлением, обусловленным наличием, постоянного поля Земли Hо. Электрон, двигающийся поперек такого поля, начинает вращаться вокруг силовых линий Hо с частотой до 0,7…1,4 МГц. Наличие вращающихся электронов делает ионосферу анизотропной (гиротропной). Происходит расщепление входящей в ионосферу линейно поляризованной волны на две составляющие, называемые «обыкновенной» и «необыкновенной» волнами. Эти волны распространяются (в общем случае) с разными скоростями и затуханиями, что вызывает два эффекта. 96 Если траектория распространения радиоволн параллельна Hо, то возникает эффект Фарадея, который выражается в изменении плоскости поляризации. Количественные оценки показывают, что на частотах 150...400 МГц плоскость поляризации может повернуться на десятки полных циклов 2π. Изменение плоскости поляризации приводит к несогласованности поляризации приемной антенны и поляризации принимаемых сигналов. При прохождении прямой волны через ионосферу возникает эффект Коттон – Мутона, проявляющийся в преобразовании линейно-поляризованной волны в круговую (эллиптическую) поляризацию. Уменьшение энергетических потерь достигается за счет использования передающей (на ИСЗ) и приемной (на судне) антенн с круговой поляризацией. Из-за неодинаковых скоростей распространения расщепленных составляющих может иметь место двойное лучепреломление в ионосфере, т.е. происходит распространение сигналов по неодинаковым траекториям. Возникают замирания сигналов. 2.13. Особенности распространения радиоволн в диапазоне ультравысоких частот (300…3000 МГц) В этом диапазоне работают спутниковые системы радиосвязи ИНМАРСАТ морской подвижной службы, аварийные радиобуи (АРБ) систем связи ИНМАРСАТ, среднеорбитальные спутниковые радионавигационные системы ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США). В этом же диапазоне размещены частоты спутниковой низкоорбитальной радионавигационной системы ЦИКАДА (частота 399,968 МГц) и системы КОСПАС-САРСАТ (частоты 406-406,1 МГц). В диапазоне УВЧ затухание сигналов практически не зависит от наличия гидрометеоров в атмосфере Земли. Поэтому спутниковая радиосвязь и радионавигация возможны при любых метеоусловиях и не зависят от сезона года и времени суток. Система ИНМАРСАТ для радиоканала СУДНО - ИСЗ использует несущие частоты в пределах 1636,5…1645,0 МГц, система связи ИНМАРСАТ- С – частоты 1626,5…1646,5 МГц. Для радиоканала ИСЗ - СУДНО системы связи ИНМАРСАТ–А ис- 97 пользуется диапазон частот 1535,0…1543,5 МГц и 1530,0…1545,0 МГц - для системы связи ИНМАРСАТ- С. Спутниковые АРБ системы ИНМАРСАТ- Е используют для передачи данных частоты системы связи ИНМАРСАТ первого поколения - 1644,3...1644,5 МГц, а также частоты 1645,5… 1646,5 МГц – систем связи ИНМАРСАТ второго поколения. 2.14. Особенности распространения радиоволн в диапазоне сверхвысоких частот (3…30 ГГц) В диапазоне СВЧ работают судовые радиолокационные станции, космическое телевидение. В этом же диапазоне в системе связи ИНМАРСАТ работает радиоканал БЕРЕГ - ИСЗ (несущие частоты 6417,5… 6425,0 МГц) и радиоканал ИСЗ - БЕРЕГ (частоты 4192,5…4200,5 МГц). В диапазоне СВЧ нельзя не учитывать затухания волн в тропосфере. Затухание радиоволн в тропосфере происходит за счет поглощения энергии в кислороде и парах воды. На рис.2.13 приведены зависимости затухания от длин волн за счет поглощения водяным паром (кривая а) и за счет поглощения кислородом (кривая б). Рис. 2.13 На рис.2.14 приведены зависимости затухания от скорости выпадения осадков во время дождя (сплошные линии): а - моросящий дождь, б - слабый дождь, в - средний дождь, г - сильный дождь. 98 Рис. 2.14 Пунктирными линиями приведены зависимости затухания от разной концентрации воды в тумане и в облаках: д - видимость 600 м, е - видимость 130 м, ж - видимость 30 м. Работа систем в этом диапазоне существенно зависит от состояния атмосферы, поэтому эти системы не являются всепогодными. Следует отметить, что при длине волны 10 см затухание сигнала из-за дождя заметно уменьшается по сравнению с 3 см длиной волны. 2.15. Особенности распространения радиоволн в диапазоне крайне высоких частот (30…300 ГГц) В диапазоне КВЧ на частоте 35,5 ГГц (8.7 мм) работают береговые радиолокационные станции с повышенной разрешающей способностью. Недостатком этих станций является малая дальность действия, особенно при плохих метеоусловиях. 2.16. Оптический диапазон волн (3⋅1012…3⋅1016 Гц) Оптический диапазон волн 3⋅1012…3⋅1016 Гц, границы длин волн 0,01…100 мкм, где 1 мкм=10-6 м, условно делится на три поддиапазона: • Ультрафиолетовые волны (λ=0,01…0,38 мкм); 99 • Видимые волны (λ=0,38…0,74 мкм); • Инфракрасные волны (λ=0,74…100 мкм). В настоящее время для целей связи освоена ничтожная доля оптического диапазона, а именно длины волн: 0,53; 0,63; 0,8…0,9; 1,06; 1,3…1,5; 10,6 мкм. На этих длинах волн созданы лазеры, светодиоды. На освоенных длинах волн имеются окна прозрачности в средах распространения оптических волн: атмосфере, кварцевых стеклах. В качестве передатчиков в оптическом диапазоне используются лазеры с модуляторами. Лазеры способны формировать узконаправленные мощные источники света с высокой степени когерентностью. Когерентность достигается за счет узкого диапазона частот излучаемых волн. Для систем оптической связи, работающих в атмосфере, используются газовые и полупроводниковые лазеры, в космосе – газовые и твердотельные лазеры, в светодиодах – полупроводниковые лазеры и светодиоды. Газовые лазеры обладают наибольшей мощностью (до 100 Вт). Передатчики, построенные на лазерах, используют для передачи информации два вида модуляции: по интенсивности и по поляризации. Фазовая и частотная модуляция в настоящее время не используется. Модуляция по поляризации меняет поляризацию сигнала на выходе модулятора на ортогональную по отношению к поляризации сигнала на входе модулятора. При распространении оптических волн в атмосфере в настоящее время дальность связи достигает до 1 км, в волоконнооптических линиях длина одного участка может достигать до 70 км (погонные потери 0,2…0,5 дБ/км). Для волоконно-оптических систем связи освоен диапазон 0,85…0,9 мкм, начато освоение диапазона 1,3…1,55 мкм, исследуется возможность использования диапазона 2,4…6 мкм. В одном волоконно-оптическом кабеле содержится несколько десятков оптических волокон, выполняющих роль светодиодов. В состав кабеля включаются также медные жилы для передачи электроэнергии на промежуточные пункты, в которых производится регенерация (усиление) сигналов. 100 Оптические волокна имеют круглое сечение с диаметром 0,1…0,2 мм и изготавливаются из кварцевого стекла (окиси кремния) с небольшим добавлением окиси германия. Волокно состоит из светонесущей части – сердечника и защитной оболочки. Волокно – это оптический волновод, по которому могут распространяться волны с разным числом модов. Число распространяющихся по волноводу модов определяется отношением диаметра светоносной жилы волновода к длине волны, а также коэффициентом преломления. С целью уменьшения дисперсионных искажений, которые проявляются в виде «размытости» элементарных посылок сигнала, стремятся к уменьшению числа распространяющихся модов в световоде. Диаметр многомодовых волноводов – 20…60 мкм, одномодовых намного меньше – 1,5…8 мкм. Одномодовые волноводы требуют более тонкой технологии их изготовления. Передающие и приемные антенны в световодных линиях строятся на основе оптических линз. Оптическая антенна (линза с апертурой (диаметром) 10 см) имеет коэффициент направленного действия (КНД) GА=107 дБ≈1010. Для получения такого КНД в радиодиапазоне на длине волны λ=3 см потребовалась бы антенна с диаметром зеркала около 3 км. В оптических линиях связи на приемном конце преимущественно используются приемники прямого усиления, в состав которых входят оптические фильтры и фотодетекторы. Гетеродинные приемники используются редко из-за низкой стабильности частоты современных лазеров, используемых в качестве гетеродинов. В настоящее время волоконно-оптические линии связи широко распространены. В перспективе будут созданы одномодовые волноводы и будет использоваться более эффективные методы модуляции оптического сигнала: частотная и фазовая. Появятся волоконно-оптические линии протяженностью до нескольких ты- 101 сяч километров с длинами регенерационных участков до нескольких сотен километров со скоростью передачи информации несколько Гбит/с. Контрольные вопросы 1. Назовите диапазоны частот, которые используются для судовой радиосвязи, радиолокации, радионавигации. 2. Назовите границы частотных диапазонов ОНЧ, НЧ, СЧ, ОВЧ, УВЧ, СВЧ. 3. Назовите условные границы диапазонов промежуточных волн и УКВ. 4. Для диапазонов СЧ и ВЧ какие волны являются наиболее значимыми: поверхностные или пространственные? 5. Какие два параметра определяют свойства подстилающей поверхности Земли: суши и моря? 6. Каковы высоты тропосферы, ионосферы? 7. Как меняется концентрация электронов ионосферы от времени суток, сезона года, солнечной активности, высоты? 8. Какая частота при распространении в ионосфере называется критической? 9. Какие частоты в ВЧ диапазоне называются максимально и минимально применимыми? 10. Как выбирается в ВЧ диапазоне рабочая частота? 11. Напишите расчетную формулу для напряженности поля в свободном пространстве. 12. Почему в ВЧ диапазоне возможны замирания сигнала в месте приема? 13. Какие возникают искажения в ВЧ диапазоне при передаче телеграфных сообщений со скоростью 50…100 и 1200…1600 Бод? 14. Как рассчитать в диапазоне ОВЧ дальность радиосвязи при известных высотах передающей и приемной антенн? 15. Назовите перспективы использования оптических систем связи. 102
