ОСОБЕНОСТИ НА РАЗПРОСТРАНЕНИЕТО НА РАДИОВЪЛНИТЕ
Радиотехническите системи използват изключително широк спектър от радиовълни, чиято съвременна класификация е дадена в таблица 9.1.
Обхвати на радио вълниТаблица 9.1
| Име на вълните | Диапазон на дължината на вълната | Честотен диапазон |
| Декамегаметър | 100¸10 мм | 3¸30 Hz |
| Мегаметър | 10¸1 мм | 30¸300 Hz |
| Хектокилометър | 1000¸100 км | 0,3¸3 kHz |
| Мириаметър | 100¸10 км | 3¸30 kHz |
| километър | 10¸1 км | 30¸300 kHz |
| Хектометричен | 1¸0.1 км | 0,3¸3 MHz |
| Декаметър | 100¸10 м | 3¸30 MHz |
| Метър | 10¸1 м | 30¸300 MHz |
| дециметър | 1¸0,1 м | 0,3¸3 GHz |
| сантиметър | 10¸1 см | 3¸30 GHz |
| Милиметър | 10¸1 мм | 30¸300 GHz |
| децимилиметър | 1¸0,1 мм | 0,3¸3 THz |
Според десетичната класификация на радиовълните, която съществува в радиокомуникационната практика от много години, има ултра дълги (VLF) (10¸100 km), дълги (1¸10 km), средни (100¸1000m), къси (10¸100m), метрови (1¸10m), дециметрови (10cm¸1m), сантиметрови (1¸10cm) и милиметрови (1mm¸1cm) вълни s. Радиовълните с дължина от 1 mm до 10 m принадлежат към диапазона на ултракъсите вълни (VHF). VHF диапазонът включва четири поддиапазона: метрови, дециметрови, сантиметрови и милиметрови вълни. Сантиметровите и дециметровите вълни принадлежат към обхвата на свръхвисоките честоти (SHF).
Разпространението на електромагнитни вълни от предавателя към приемника се извършва в свободното пространство около земното кълбо. ИмотиТази среда влияе върху качеството на радиокомуникациите. Скорост на разпространение на електромагнитните вълни в свободното пространство
, (9.1)
където: - диелектрична константа на въздуха (вакуум);
- магнитна проницаемост на въздуха (вакуум).
Вълнов импеданс на свободното пространство
. (9.2)
Повърхностният слой на Земята е слабопроводима среда, по завоите на която се разпространява и частично се поглъща електромагнитна вълна. Значително влияние върху разпространението на радиовълните оказват нееднородностите на атмосферата, която обикновено се разделя на три слоя:тропосфера, стратосфера и йоносфера.
Долният слой на атмосферата се нарича тропосфера. Тропосферата се простира над земната повърхност до надморска височина от 8-10 км в полярните ширини и до 16-18 км в тропиците. Въздушните течения създават в тропосферата голям брой локални неравности, наситени с водни пари, които значително влияят върху разпространението на радиовълните.
Стратосферата е разположена на височини от 10¸18 km до 60 km. Плътността на въздуха в стратосферата е много по-малка от тази в тропосферата. Няма въздушни течения и смесването на газове става само поради възходящи и низходящи потоци. Малката нехомогенност на стратосферата има малък ефект върху разпространението на радиовълните.
Започвайки от височина около 60 км, се намира горният слой на атмосферата, йоносферата. На голяма надморска височина газовете се подреждат в съответствие с тяхното молекулно тегло, което води достратификация на атмосферата. Под въздействието на ултравиолетовото лъчение от Слънцето и потока от космически частици, в тази област настъпвайонизация на отделни газови атоми, което води до появата на свободни електрони и положително заредени йони. Поради наличието на електрически заредени частици, йоносферата имасвойство да отразява радиовълните. Комуникацията на големи разстояния при ниска мощност на предавателя става възможна благодарение на небесните вълни, които се отразяват от йоносферата. Има четири области на йонизация:D,E,F1,F2.
Има два различни йонизационни максимума: един на височина от 90 до 170 km, така нареченият E слой, и F слой, който започва на височина 200 km и се простира до височина 500 km. Електронната плътност на слояEварира от 103 до 105 e/cm3. Слой F се разделя на два слоя -F1 (от 200 km до 300 km) иF2 (от 300 km до 500 km). Електронната плътност в слоя F достига 10 6 e/cm 3 и повече. Структурата на йоносферата непрекъснато се променя. Тези промени имат годишна и дневна периодичност, а също така са свързани с периода на слънчева активност. Най-долният слой на йоносферата, слойD, се среща ежедневно на височина от 60 km до 90 km и има плътност от около 10 2 ¸10 3 el/cm 3 . Разпределението на електронната плътност на слоевете на йоносферата е показано на фиг. 9.1.
Фиг.9.1. Електронната плътност на слоевете на йоносферата.
Извън земната атмосфера се простира космическото пространство, което се състои от електрони, протони и атмосферен водород и има плътност от 20¸40 el/cm 3 .
В хомогенни среди радиовълните се разпространяват по праволинейни траектории. Радиовълните, разпространяващи се близо до повърхността на Земята поради явлението дифракция, обикалят нейната повърхност и се наричатземни или повърхностни вълни.
Промените в електрическите параметри на тропосферата и наличието на голям брой нееднородности водят до изкривяване на пътищата на разпространение на радиовълните и до тяхното разсейване. Радиовълни, разпространявани от насоченото действие на тропосферата иразсейването в тропосферата се наричат тропосферни.
В йоносферата радиовълните са способни да изпитват както единични, така и многократни отражения. С едно отражение радиовълните могат да се разпространят на разстояния над 4000 км. С множество отражения радиовълните се разпространяват в сферичен вълновод Земя-йоносфера и са в състояние да обиколят земното кълбо няколко пъти. Радиовълните, отразени от йоносферата, се наричат йоносферни или пространствени.
Всеки от обхватите на радиовълните има свои собствени характеристики на разпространение.
Дългите вълни (l=1¸10 km) се характеризират с разпространение поради две вълни: повърхностна и йоносферна. Повърхностните вълни се разпадат относително бавно и се разпространяват поради дифракция на разстояния от 300–400 km. Йоносферните вълни се разпространяват на големи разстояния, които се появяват поради отражение от долните граници на слояDпрез деня и слояEпрез нощта. Комуникацията при дълги дължини на вълните е много стабилна, което се дължи на относителното постоянство на електронната плътност в слояE.
Разпространението на средни вълни (l=100¸1000 m) също се дължи на повърхностни и йоносферни вълни. Тъй като затихването на радиовълните в почвата се увеличава с квадрата на честотата, средните вълни се разпространяват на по-къси разстояния в сравнение с дългите вълни. Йоносферните вълни в обхвата на средните вълни се отразяват от средните области на слояE, където електронната плътност е доста висока. Проникването на радиовълни до значителна дълбочина на слояEводи до тяхното силнопоглъщане. Затихването на средните вълни през деня е особено голямо, когато се появява слойDи долната граница на слоя E се спуска. През нощта електронната плътност в слояDи в долните области на слоя E силнонамалява и затихването на вълните в тях значително намалява. През нощта, на големи разстояния от радиостанцията, електромагнитното поле е резултат от интерференцията на повърхностни и йоносферни вълни, което причиняваизбледняване на сигнала.
На къси вълни (l=10¸100 m) повърхностните вълни отслабват повече, отколкото на средни вълни. Следователно радиокомуникацията чрез повърхностни вълни е възможна само на разстояния от няколко десетки километра. Радиовръзката на дълги разстояния се осъществява само благодарение на йоносферните вълни. Отражение от йоносферата възниква само ако ъгълът на падане е достатъчно малък. Вълните, разпространяващи се под голям ъгъл спрямо хоризонта, проникват в йоносферата без отражение и не се връщат обратно. Следователно в близост до предавателя се образува “зона на мълчание”, където не падат нито повърхностни, нито йоносферни вълни, както е показано на фиг.9.2.
Фиг.9.2.Образуване на тиха зона
В зависимост от времето на деня се разграничават оптималните дължини на вълните от гледна точка на отражение от йоносферата и използватдневни вълни (l=10¸25 m), нощни вълни (l=35¸100 m) и здрачни вълни (l=25¸30 m). Характеристика на късовълновата радиокомуникация е затихването на сигнала, причинено от интерференцията на няколко йоносферни вълни, пристигащи към приемната антена по различни начини.
В VHF обхвата (l=1 mm¸10 m) всеки от четирите поддиапазона има свои собствени характеристики на разпространение. Вълните от всички поддиапазони не изпитват отражения от йоносферата, следователно радиокомуникацията е невъзможна на VHF поради йоносферната вълна. В същото време VHF вълните са слабо дифрактирани на повърхността на Земята. Следователно нормална радиокомуникация може да се осигури само в рамките на линията на видимост на разстояние
км, (9,3)
където и са съответно височинатапредавателни и приемни антени в метри.
За увеличаване на обхвата на комуникация в VHF обхвата е необходимо увеличаване на геометричната височина на антените, което се осъществява чрез изграждането на високи кули. Освен това за разпространението на VHF на дълги разстояния се изграждат специални релейни предавателни линии и се използват изкуствени спътници на Земята.
Също така е възможно да се получи достатъчно надеждна връзка поради VHF разсейване върху нехомогенности на тропосферата и йоносферата. Разсейването създава радиация във всички посоки, както е показано на фиг. 9.3, а по-голямата част от излъчването е насочено към разпространението на оригиналната вълна - това е така нареченото "разсейване напред".
Освен него има, макар и по-слабо, излъчване във всички посоки, поради което УКВ приемането е възможно и извън линията на видимост. Ефектът от разсейването от много нехомогенности се осреднява, което осигурява напрегнатост на полето в приемната антена, достатъчна за надеждна непрекъсната комуникация.
АНТЕННИ УСТРОЙСТВА
В повечето радиотехнически системи разпространението на електромагнитни вълни от предавателя към приемника се извършва в свободно пространство. В този случай от предавателната антена се излъчват високочестотни модулирани електромагнитни трептения. В приемната антена електромагнитните вълни възбуждат високочестотни токове, чиято енергия се подава към входа на приемника. Предавателната антена преобразува енергията на високочестотните токове в енергията на електромагнитните вълни, а приемната антена преобразува енергията на електромагнитните вълни в енергията на високочестотните токове. По този начин проблемът с приемането на радиовълни е обратният проблем на тяхното излъчване. За да получавате радиовълни, можете да използвате същите антени, които се използват за излъчването им. Този “принцип на реципрочност” позволявада се ограничим до изучаване на свойствата на всяка антена, или само като предавател, или само като приемник. Изследвайки свойствата на антената като предавателна, е възможно въз основа на принципа на реципрочността да се определят нейните свойства като приемаща и обратно.
Ако предавателят и приемникът са далеч от своите антени, тогава между тях се използват предавателни линии, наречени фидери. Най-често коаксиалните кабели се използват като захранващи устройства.
В различни диапазони на дължина на вълната се използват различни дизайни на антени. Според вида на излъчващите елементи антените се делят налинейни, апертурни и повърхностни вълнови антени.
Линейни се наричат антени, при които токовете преминават през канали с напречни размери, които са малки в сравнение с надлъжните размери на антените и дължината на вълната. Линейни са жични и шлицови антени във вълноводи и резонатори.
В апертурните антени високочестотните токове преминават през повърхности, чиито размери са съизмерими или много по-големи от дължината на вълната. Тези антени съдържат отворена повърхност, наречена апертура или антенен отвор, през която преминава излъчената електромагнитна енергия.
Антените за повърхностни вълни се състоят от възбудител и водач. В тези антени се възбуждат пътуващи електромагнитни вълни, които се разпространяват по водача и излъчват от повърхността му в свободното пространство.
И трите вида антени се използват под формата на единични антени, както и под формата на многоелементни устройства, възбуждани от един високочестотен генератор, наречен антенна решетка. Антенните решетки позволяват да се получи необходимото пространствено разпределение на излъчената енергия и възможността това разпределение да се контролира във времето.