Радиоволны

Радиоволны представляют собой процесс распространения электромагнитных колебаний в пространстве, создаваемых токами высокой частоты диапазона 3∙10³ - 3∙10¹² Гц [1]. Высокочастотные колебания электрического тока образуются с помощью колебательных систем. Простейший колебательный контур, генерирующий электромагнитные колебания, состоит из катушки индуктивности и конденсатора, параметры которых определяют частоту колебаний. Если электромагнитные колебания возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле - сосредоточенным в пространстве между пластинами конденсатора (рис. 3.4 а). Такой контур называется закрытым или замкнутым. Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство.

Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн, и если разнести обкладки конденсатора, получим открытый колебательный контур, способный излучать энергию в пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, не параллельных друг другу, то чем под большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 3.4б).

Рис. 3.4. Преобразование колебательного контура в антенну

Предельным случаем раскрытия колебательного контура является удаление пластин конденсатора на противоположные концы прямой катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 3.4 в). Силовые линии поля замыкаются на обкладках конденсатора. Изображение пластин конденсатора на концах катушки открытого колебательного контура на рисунке является лишь условностью.

В действительности контур состоит из длинного провода – антенны. Один конец антенны заземлен, второй поднят над поверхностью земли. Всякий металлический проводник обладает собственной емкостью и индуктивностью, т.е. является открытым колебательным контуром. Открытый колебательный контур принято называть вибратором. Резонансная частота (F) такой антенны определяется емкостью и индуктивностью металлического проводника или элементов подстройки:

Рис. 3.5. Графическое представление радиоволны

Катушка антенны имеет индуктивную связь с катушкой колебательного контура генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Вокруг любого проводника, по которому протекает электрический ток, создается магнитное поле. Вынужденные колебания высокой частоты в антенне создают в окружающем пространстве переменное электромагнитное поле. Процесс распространения переменных магнитного и электрического полей и есть электромагнитная волна.

Электромагнитную волну условно можно представить в виде двух синусоид, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Одно синусоида изображает изменение электрической составляющей волны (Е), а другая - магнитной (Н) (рис. 3.5). Распространение электрической составляющей (а соответственно и магнитной) в вертикальной или горизонтальной плоскости определяется расположением в пространстве передающей антенны. Взаимное расположение плоскостей распространения электрической и магнитной составляющей радиоволны обозначают понятием поляризация.

Радиоволны, как и другие волновые процессы, обладают рядом параметров (амплитуда, частота и т.д.), но имеют свои особенности (в отличие от механических волн) в связи с другой физической природой. Радиоволны могут распространяться как в упругой среде (воздух, вода, металл и т.д.), так и в вакууме, но в основном рассматривается распространение радиоволн по естественным трассам, т.е. в условиях, когда средой служат атмосфера Земли или космическое пространство. Среда в данном случае является тем звеном в радиосвязи, которое практически не поддается управлению, хотя и подлежит относительно достоверным расчетам. Скорость распространения электромагнитной волны в свободном пространстве приблизительно равна скорости света – 300000 км/с.

В отличие от механических колебаний скорость радиоволны не зависит от среды распространения и частота колебаний в колебательном контуре определяет длину радиоволны. Таким образом, можно утверждать, что длина волны соответствует определенной частоте электромагнитных колебаний, а их взаимосвязь можно выразить следующим образом:

l = V / f; т.к. V» c, a с = 3 ∙ 10 ⁸ (м/с) Þ l =3 ∙ 10⁸ / f (м), l =VT,

где l - длина волны, V – скорость распростронения электромагнитной энергии,

f - частота, T - период колебаний.

В окружающей земной шар атмосфере различают две области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу и ионосферу. Ионосферой называется область атмосферы, начинающаяся от высоты 60-90 км и простирающаяся примерно до 10000 км над поверхностью Земли. В этой области плотность газа весьма мала и газ ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов (примерно 10³-10⁶ электронов в 1см³ пространства). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы. Путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут распространяться на очень большие расстояния (например, длинные волны могут несколько раз огибать земной шар). Ионосфера является неоднородной средой, и радиоволны рассеиваются в ней, что также обусловливает возможность распространения радиоволн на большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеивания в ней, принято называть ионосферными (пространственными) волнами. На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.

За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшаются и на расстоянии, равном 3-5 радиусам земного шара (средний радиус земного шара равен 6370 км), атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован, плотность протонов равна плотности электронов и составляет всего 2-20 эл/см³. Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве.

Таким образом, оказывается возможным рассматривать раздельно влияние на распространение радиоволн земной поверхности, тропосферы, ионосферы и космического пространства.

Тропосферой называется приземная область атмосферы, простирающаяся до высоты примерно 10-15 км. Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности, кроме того, ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий. Тропосфера влияет на распространение волн вдоль земной поверхности и обеспечивает распространение так называемых тропосферных волн. Распространение тропосферных волн связано с атмосферной рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной тропосфере, а также с рассеянием и отражением радиоволн от неоднородностей тропосферы. Благодаря атмосферной рефракции осуществляется передача информации с помощью систем тропосферной связи.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) от поверхности Земли, т.е. в нижних слоях атмосферы, принято называть земными (поверхностными). Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн. Сферичность земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн. Условия распространения радиоволн вдоль земной поверхности в значительной степени зависят от проводимости почвы (поверхности) и от длины волны. В случае идеальной проводимости земной поверхности радиоволны отражались бы от нее без потерь, но реально земная поверхность не является ни идеальным проводником, ни идеальным диэлектриком. Поэтому радиоволны, распространяясь вдоль земной поверхности, частично ею поглощаются и тем сильнее, чем меньше длина волны.

В однородной среде волны распространяются, как было сказано выше, прямолинейно и равномерно, причем с увеличением расстояния от излучателя (антенны) плотность потока энергии в точке приема уменьшается прямо пропорционально расстоянию от излучателя. Это связано с тем, что вся мощность, излучаемая антенной, распространяется во все стороны равномерно и в каждую точку пространства доходит лишь часть электромагнитной энергии.

При распространении радиоволн энергия радиоволны непрерывно уменьшается не только из-за явления рассеивания. Часть энергии радиоволн теряется при образовании вихревых токов в различных токопроводящих предметах, пересекаемых радиоволнами. Энергия токов вихревого характера частично превращается в тепло. Явление превращения энергии радиоволн в другие виды энергии, например тепловую, условно называют поглощением радиоволн.

Радиоволны способны огибать различные препятствия, встречающиеся на пути распространения. Это явление получило название дифракции. Дифракция значительно зависит от длины волны. Радиоволны с большой длиной волны способны огибать большее по геометрическим размерам препятствие. Для возникновения дифракции размеры препятствия должны быть соизмеримы с длиной волны, поэтому в диапазонах, где длины радиоволн составляют единицы метров и менее, дифракции на препятствиях городского плана (здания) практически не происходит.

Среда распространения радиосигнала (например, городская застройка) содержит множество препятствий на прямой, соединяющей антенну базовой станции с антенной абонента. Соответственно существует только относительно короткий участок распространения по прямой видимости и множество трасс прохождения радиосигнала с переотражением (несколькими переотражениями). Во многих случаях (не только городская застройка, но и, например, холмистая местность) существует более одного пути распространения радиоволн, и эта ситуация называется многолучевым распространением. Сигнал в точке приема при многолучевом распространении представляет сумму компонентов переданного сигнала, пришедших в точку приема по различным путям с переотражениями. Это вызывает изменение уровня сигнала в точке приема, случайные колебания фазы принимаемого сигнала (фазовый шум) и временное рассеяние передаваемых символов сигнала. Радиоволны, отраженные от различных препятствий, проходят одна через другую, не влияя друг на друга, но в различных точках пространства возникает явление интерференции. Сущность этого явления заключается в том, что две (или более) волны с одинаковым периодом и фазой могут накладываться друг на друга, создавая при этом точки пространства, в которых наблюдается увеличение амплитуды результирующего сигнала. При противоположных фазах и одинаковом периоде сигналов будет наблюдаться уменьшение амплитуды результирующего сигнала (замирания сигнала) (рис. 3.6), и, следовательно, ухудшение качества или даже пропадание связи в зависимости от разницы амплитуд взаимодействующих сигналов. Эти точки пространства получили название интерференционного максимума и интерференционного минимума.

а б

Рис.3.6. Особенности распространения волн:

а) - явления замирания; б) - зона молчания

Рис. 3.7. Графическое представление изменения уровня сигнала

Трасса распространения радиосигнала изменяется при перемещениях подвижного абонента и движении окружающих предметов. Даже малейшее их перемещение приводит к изменению условий многолучевого распространения и как следствие к изменению параметров принимаем сигнала. Предположим, например, что абонент находится на улице с оживленным движением. Хотя абонент относительно неподвижен, часть окружающей среды (автомобили) движется со средней скоростью 50 км/ч. Автомобили на улице являются движущимися отражателями радиосигналов и существенно изменяют во времени среду распространения, а, следовательно, и характеристики принимаемого абонентом радиосигнала. Уровень принимаемого сигнала особенно сильно изменяется во времени при перемещении самого абонента. Перемещение лишь на доли длины волны может вызвать значительное изменение принимаемого уровня. Если рассмотреть абонента, передвигающегося в автомобиле, то за счет его движения будут изменяться и расстояние до базовой станции, и конфигурация препятствий на пути распространения радиосигнала от базовой станции к абоненту. В обоих случае в условиях многолучевого распространения радиосигнал может моделироваться как случайным образом изменяющаяся во времени среда распространения.

Изменения уровня принимаемого сигнала при перемещениях абонента представлены на рис. 3.7, из которого видно, что уровень сигнала испытывает флуктуации, известные как быстрые (кратковременные) замирания. С другой стороны, локальное среднее уровня сигнала также изменяется, но медленно. Эти медленные флуктуации зависят в основном от характеристик среды распространения, их причиной являются особенности рельефа местности вдоль трассы распространения радиосигнала.

Модели распространения, применяемые для энергетического расчета радиоканалов, чаще всего оценивают его медианную (среднюю) величину, не учитывая быстрые замирания. При теоретическом рассмотрении условий распространения земных радиоволн атмосферу считают сначала непоглощающей средой с относительными диэлектрической и магнитной проницаемостями, равными единице, а затем вносят необходимые поправки.

Итак, распространение радиоволн в основном происходит в атмосфере и у поверхности земли, причем электрические и магнитные характеристики среды сильно искажают идеальную картину излучения и распространения радиоволн. Но, зная общую картину распространения радиоволн, можно нейтрализовать большую часть негативных влияний, вызванных физическими свойствами радиоволн.