Распространение УКВ земной волной

Области применения. К диапазону УКВ относят радиоволны длиной от 0,1 мм до 10 м (частоты от 30 МГц до 3000 ГГц). Характерной особенностью этого диапазона является его большая частотная емкость, позволяющая передавать широкополосную информацию. Ультракороткие волны широко применяются в наземных системах связи и вещания. Большинство таких систем работает на земной волне. Исключение составляют лишь линии связи, работающие на волнах, рассеянных в атмосфере.

В рассматриваемом диапазоне волн устойчивая работа на земной волне ограничена расстоянием прямой видимости (десятки километров). Для передачи информации на расстоянии в сотни и тысячи километров используют радиорелейные линии (PPЛ) с интервалами в пределах прямой видимости.

Системы телевизионного и звукового вещания работают на волнах метрового и дециметрового диапазонов. Устойчивый радиус действия вещательных передатчиков в этих диапазонах также ограничен расстоянием порядка прямой видимости. Для увеличения радиуса действия станций стараются поднимать антенну на передаче по возможности выше за счет, как естественного рельефа местности, так и башни, на которой устанавливается антенна.

Расчет поля в освещенной зоне с учетом рефракции радиоволн в тропосфере. В диапазоне УКВ высота поднятия антенн на передаче (h ₁,) и приеме (h ₂) обычно больше длины волны λ, поэтому весь путь распространения земной волны делят на три зоны: освещенную, полутени и тени. В освещенной зоне поле имеет интерференционную структуру за счет сложения прямой и отраженной от Земли волн. Расчет напряженности поля в этой зоне базируется на интерференционной формуле. Для практических расчетов в необходимо учесть электрическую неоднородность тропосферы.

Электрическая неоднородность тропосферы, проявляющаяся в рефракции радиоволн, влияет на все параметры, от которых зависит поле в освещенной зоне. По сравнению со случаем прямолинейного распространения изменяются (рисунок 1) длины путей прямой r ₁ и отраженной r ₂ волн, т.е. сдвиг фаз , угол наклона траектории отраженной волны ∆ и соответственно коэффициент отражения R, а также коэффициент расходимости D _p. Значения ∆ φ, ∆ и D _p определяются приведенными высотами и , которые зависят от радиуса Земли a _зм.

Рисунок 1. Распространение радиоволн прямой и отраженной волнами

Это позволяет свести учет рефракции к расчету ∆ φ, ∆ и D _p по ранее, приведенным формулам с заменой в них а _зм на эквивалентный радиус а _зм. В итоге действующее значение напряженности поля УКВ в освещенной зоне

На радиолиниях, где в пределах существенной области для отражения поверхность Земли достаточно ровная и плоская, модуль коэффициента отражения и коэффициент расходимости . Для таких условий интерференционная формула упрощается:

Формула для расчета напряженности поля еще более упрощается, если рассматривать большие расстояния r (в пределах освещенной зоны), при которых в последнем выражении синус можно заменить его аргументом. Это можно сделать, если Тогда на расстояниях формула для расчета напряженности поля приобретает вид

Эта формула была получена Б. А. Введенским и называется квадратичной формулой Введенского. Видно, что на указанных расстояниях r интерференционная структура поля перестает существовать и величина поля уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Столь резкое убывание поля можно объяснить тем, что при увеличении расстояния уменьшается разность хода т.е. сокращается пространственная разность фаз В то же время при скользящем отражении R → -1 при любой поляризации. Другими словами, чем больше расстояние r, тем полнее взаимная компенсация прямой и отраженной волн в точке приема, что и вызывает сравнительно быстрое убывание поля. На рисунке 2 представлена зависимость множителя ослабления от расстояния, которая соответствует последним формулам для .

Рисунок 2. Зависимость множителя ослабления от расстояния

Расчет поля с учетом рельефа местности. Земная поверхность никогда не бывает идеально гладкой. Даже равнинная местность покрыта большим числом хаотически расположенных неровностей. В зависимости от их размеров, электрических свойств, количества, а также от длины распространяющейся волны элементы рельефа оказывают различное влияние на поле в точке приема.

Рассмотрим сначала влияние мелких неровностей, которые придают земной поверхности свойства так называемой шероховатой поверхности. Поверхность считается шероховатой, если выполняется известный из курса физики критерий Рэлея: где ∆ h - средняя высота неровностей в пределах существенной области для отражения; ∆ - угол возвышения траектории отраженной волны (см. рисунок 1). Eсли выше записанное условие выполняется, то отражение от Земли считается рассеянным (диффузным) и в формуле для для расчета напряженности поля коэффициент отражения R заменяется на эффективный R _эф < R. Крупные элементы рельефа местности в виде, например, гор и долин, холмов и оврагов, строений разнообразны по размерам, форме, местоположению на трассе. Неровности земной поверхности такого типа существенно влияют на условия распространения земной волны. Чем меньше длина волны, тем это влияние более резко. В диапазоне УКВ существуют два различных подхода к учету рельефа.

На наземных линиях связи (PPJI) с интервалами в пределах прямой видимости, где одно передающее устройство обслуживает один фиксированный пункт приема, применяют детерминированные методы учета рельефа. Эти методы основаны на приближенной аппроксимации больших неровностей земной поверхности телами правильной геометрической формы: сферой, клином и т. п. Отметим лишь, что наличие крупных препятствий на трассе иногда приводит к неожиданным эффектам, которые на первый взгляд кажутся неожиданными.

Рассмотрим, например, случай, когда на пути распространения земной волны имеется одиночное препятствие (рисунок 3).

Рисунок 3. Влияние на распространение земной волны одиночного

препятствия

Даже при небольшом расстоянии между пунктами передачи и приема препятствие закрывает прямую видимость и точка приема оказывается в зоне тени. Затенение точки приема препятствием приводит, как правило, к значительному ослаблению сигнала. Однако в некоторых случаях, как показывают эксперименты, напряженность поля в точке приема может в несколько раз превышать значение напряженности поля в отсутствие препятствия. Этот эффект называют эффектом усиления за счет препятствия.

В рамках отражательной трактовки эффект усиления за счет препятствия можно пояснить следующим образом. Как показано на рисунке 3, вершина препятствия возбуждается двумя волнами: прямой и отраженной от Земли, амплитуды которых будем считать одинаковыми и равными Е ₀. Если эти две волны складываются в фазе, то вершина препятствия возбуждается полем с амплитудой 2 Е ₀. Возбужденная вершина является источником вторичных волн, которые достигают точки приема также по двум путям: как прямая и отраженная от Земли волны, амплитуды которых примерно одинаковы. Если эти волны в точке приема складываются в фазе, то при идеальной ситуации напряженность поля в точке В будет равна 4 Е ₀.

Таким образом, при удачном стечении обстоятельств напряженность поля за препятствием может превышать значение поля в свободном пространстве. Если учесть, что на реальных радиолиниях напряженность поля в точке приема обычно меньше напряженности поля в свободном пространстве, то выигрыш в усилении за счет препятствия по сравнению с полем в его отсутствие получается еще больше и может достигать десятков децибел. Практическое использование эффекта усиления за счет препятствия реализуется установкой на вершинах гор и холмов специальных пассивных ретрансляторов, имитирующих этот эффект. Расчет систем радиовещания и телевидения, а также систем связи с подвижными объектами выполняется с помощью статистических методов. В основе вероятностных оценок условий приема в разных участках зоны, обслуживаемой тем или иным передатчиком, лежат как правило, обобщенные результаты измерений напряженности поля. Наиболее сложные условия распространения наблюдаются в крупных городах, застроенных разноэтажными зданиями.

Распространение УКВ в городе. Условия приема сигналов в диапазоне УКВ существенно зависят от расположения приемной антенны относительно окружающих ее предметов. В городских условиях такими предметами являются здания, деревья, заводские трубы, мачты. Близко расположенные здания могут в зависимости от их расположения оказаться затеняющими препятствиями или источниками местных отраженных волн.

Затеняющее действие отдельного препятствия приводит к тому, что поле за препятствием появляется в результате двух процессов: дифракции и проникновения через препятствие. Дифракция в рассматриваемом диапазоне волн протекает с большими потерями. Проникновение сквозь препятствия типа стен зданий также сопровождается большими потерями за счет поглощения. Измерения показывают, что напряженность поля за отдельно стоящим кирпичным зданием на 20...30 дБ ниже, чем перед ним, а за железобетонном строением уровень сигнала падает на 30...40 дБ. В целом внутри городской застройки имеются многочисленные теневые зоны, где сигнал значительно ослаблен.

Действие окружающих зданий как источников отраженных волн проявляется как в виде неравномерного распределения амплитуды поля в пространстве из-за интерференции многочисленных отраженных волн, так и в своеобразном подсвечивании теневых зон. В случае вертикальной поляризации первичного поля отражения наиболее интенсивны от предметов, протяженных по вертикали (стены зданий, деревья). Большое влияние местных предметов на условия приема вертикально-поляризованного поля является одной из причин преимущественного применения горизонтальной поляризации в системах телевизионного вещания.

Сложность условий распространения УКВ в городе определяет статистический характер как теоретических, так и экспериментальных исследований. По условиям приема сигнала можно выделить три наиболее типичных ситуации: передающая и приемная антенны находятся над уровнем городской застройки и между ними имеется прямая видимость; связь между подвижным объектом и базовой станцией; связь между двумя подвижными объектами.

В первом случае, характерном для приема сигналов телевизионного вещания, расчет напряженности поля ведут по квадратичной формуле Введенского, умножая результат на поправочной коэффициент (обычно 0,4...0,6). Во втором и третьем случаях между пунктами передачи и приема, как правило, нет прямой видимости и основной вклад в формирование многолучевого поля вносят отражения от зданий в окрестности подвижного пункта.

Рассмотрим закономерности изменения напряженности поля в точке приема в городских условиях в зависимости от расстояния, частоты волны и высот установки антенн. На рисунке 4 приведены зависимости среднего (медианного) значения мощности сигнала Р _с от расстояния r при различных высотах подъема антенны базовой станции h ₁, измеренные на частоте 922 МГц. Высота подъема антенны на подвижном объекте принята равной 3 метра.

Рисунок 4. Зависимости среднего значения мощности сигнала от расстоянияпри различных высотах подъема антенны базовой станции

Штриховой линией показана зависимость Р _с от расстояния для условий свободного пространства. Уровень 0 дБ соответствует полю в свободном пространстве на расстоянии 1 километра от базовой станции.

Анализ приведенных зависимостей показывает, что при увеличении расстояния до 15 км мощность сигнала убывает как r ^-3. Последующее увеличение r приводит к еще более быстрому уменьшению уровня сигнала. Ослабление сигнала в городе возрастает с увеличением его частоты.

На поле в точке приема влияют не только рассмотренные факторы, но и многие другие. В частности, установлено, что уровень сигнала существенно зависит от расположения улиц в городе, которые оказывают канализирующее действие на распространяющиеся волны. Вдоль радиально расположенных улиц (относительно базовой станции) уровень сигнала на 10...20 дБ выше, чем в перпендикулярных направлениях.

Факторы, влияющие на устойчивость работы линий связи. На наземных радиолиниях диапазона УКВ напряженность поля в точке приема не остается постоянной во времени, т.е. поле подвержено замираниям. Причиной замираний является изменение во времени состояния тропосферы как по некоторому регулярному закону (скажем, в течение суток), так и случайным образом. Если в процессе колебаний уровень сигнала (или множитель ослабления V) упадет, ниже определенного минимально допустимого значения V _min, произойдет срыв связи. Вероятность срыва связи, т.е. вероятность того, что V < V _mjn, обозначается как T (V). Очевидно, что устойчивость связи равна 1 - T (V).

Исходя из того, что замирания на линиях связи в освещенной зоне обусловлены в основном явлениями субрефракции и интерференции в точке приема двух волн - прямой и отраженной от Земли, и предполагая, что эти замирания статистически независимы,

где - вероятность срыва связи за счет субрефракционных замираний; - вероятность срыва связи за счет интерференционных замираний.

В качестве одного из основных факторов, влияющих на устойчивость работы радиолиний, выделяют так называемый просвет Н (рисунок 5), т.е. расстояние между наивысшей точкой профиля трассы и траекторией прямой волны, приходящей в точку приема. Как видно, просвет зависит от высот поднятия антенн и учитывает рефракцию радиоволн.

Рисунок 5. Просвет на радиолинии

Рассмотрим зависимость вероятности срыва связи от величины просвета. Обычно длину трассы и высоты поднятия антенн выбирают так, чтобы в условиях средней (стандартной) рефракции между пунктами приема и передачи была прямая видимость (рисунок 6).

Рисунок 6. Условия средней рефракции между пунктами приема

и передачи

Но при появлении субрефракции (штриховая линия) точка приема может оказаться в зоне тени и уровень сигнала упадет ниже нормы. Чтобы этого не произошло, надо увеличить просвет на линии, увеличив, например, высоту поднятия приемной антенны (см. рисунок 6). Другими словами, чем больше просвет, тем меньше вероятность срыва связи за счет субрефракционных замираний. Однако чем больше просвет, т.е. чем выше расположены антенны, тем больше сдвиг фаз полей прямой и отраженной от Земли волн в точке приема:

При больших значениях ∆ φ увеличивается вероятность попадания точки приема в интерференционный минимум, т.е. увеличивается вероятность срыва за счет интерференционных замираний. На рисунке 7 показана качественная зависимость Т ₀ и ∑ T _n, а также их суммы Т от просвета, из которой видно, что на трассе имеется оптимальный просвет, при котором вероятность срыва связи минимальна.

Рисунок 7. Зависимость Т ₀ и ∑ T _n, а также их суммы Т от просвета

Кроме просвета устойчивость работы радиолиний зависит от многих других факторов, в том числе от протяженности интервала r и длины волны λ. При уменьшении r увеличивается средний уровень сигнала, и при выборе оптимального просвета возрастает устойчивость работы. При укорочении длины волны увеличивается вероятность срыва связи за счет интерференционных замираний, так как увеличивается разность фаз ∆ φ.

Для повышения устойчивости работы линий связи используют разнесенный прием. Пространственно-разнесенный прием реализуют использованием сдвоенного приема с разнесением антенн по высоте. Статистическая независимость флуктуаций поля достигается при разносе При частотно-разнесенном приеме, когда передача осуществляется на двух несущих, независимость флуктуаций достигается при частотном разносе .