Особенности распространения радиоволн

Классификация радиоволн

Радиоволнами принято называть электромагнитные колебания, распространяющиеся в свободном пространстве со скоростью около 300 тысяч км/с. Длина радиоволн составляет не менее 0.5мм (частота не более 6×10¹² Гц).

Электромагнитные волны представляют собой комбинацию колебаний электрического Е и магнитного Н полей (рис.1).

Рис.1.

Векторы напряженностей электрического Е и магнитного Н полей перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны Х, т.е.

.

Направление вектора Х определяется правилом буравчика с правой нарезкой: направление вектора Х совпадает с поступательным движением буравчика, если его вращать в направлении от Е к Н.

В зависимости от направления вектора Е радиоволны делятся на вертикально и горизонтально поляризованные радиоволны (рис.2).

Рис.2. Виды поляризации радиоволн

Картина распространения вертикально поляризованной радиоволны вдоль оси X условно представлена на рис.1.

Радиоволны классифицируют также в зависимости от длины волны. Расстояние, которое волна проходит за время одного периода колебаний называется длиной волны

где: с – скорость света; Т – период, а f – частота электромагнитных колебаний.

В соответствии с величиной длины волны принята следующая классификация радиоволн и соответствующих им частот, как это показано на рис.3.

Рис. 3. Классификация радиоволн в зависимости от длины волны

Радиоволны каждого из диапазонов имеют свои особенности распространения, обусловленные строением атмосферы (рис. 4) и влиянием поверхности земли.

Нижний слой атмосферы, непосредственно прилегающий к поверхности Земли и простирающийся на высоту до 10-15 км, называют тропосферой. В тропосфере формируются облака, выпадают осадки, возникают ветры и воздушные течения. Состояние воздуха в тропосфере характеризуется такими параметрами, как давление, температура и влажность.

С увеличением высоты над поверхностью Земли плотность воздуха уменьшается, понижается влажность и температура, но иногда могут происходить обратные явления, что сказывается на распространении ультракоротких волн. Проводимость воздуха очень мала, поэтому в тропосфере радиоволны длиннее 0,3 м практически не поглощаются. За тропосферой располагается слой, называемый стратосферой, простирающийся на высоту до 60 км. В этом слое воздух находится в еще более разреженном состоянии, однако проводимость его невелика и не оказывает влияния на распространение радиоволн.

На расстоянии от Земли 60 км и больше (400-600 км) простирается ионосфера. Под действием ультрафиолетовых и космических лучей, солнца и звезд, потоков космических частиц, излучаемых космическими телами, происходит ионизация газов. При этом ионосфера становится токопроводящей. Проводимость ионизированной среды определяется количеством электронов, находящихся в 1 см³ газа, т.е. электронной плотностью. Плотность электронов с заходом солнца убывает.

Степень ионизации на высоте непостоянна, однако на определенных высотах наблюдается максимум ионизации. Это объясняется неоднородностью слоистой структуры ионосферы, по-разному влияют на распространение радиоволн различной длины.

В ионосфере различают четыре слоя: Д, Е, F₁ и F₂,которые в зависимости от солнечной активности располагаются соответственно на высотах 60-90; 90-150; 160-200; 220-320 км. Самый нижний слой Д существует только в дневные часы и является основной поглощающей областью для коротких и средних волн и отражающей – для длинных волн. Слой Е обладает большим постоянством свойств: он отражает средние волны (а также длинные волны в ночное время) и в некоторых случаях короткие волны. Слой F днем в летние месяцы состоит в свою очередь, из двух слоев: слоя F₁, имеющего общие свойства со слоем Е, и F₂, являющегося основным отражающим слоем для коротких волн. В остальное время наблюдаются только отражающие свойства слоя F₂. Этот слой используется для обеспечения дальней радиосвязи. Его высота и концентрация электронов в нем изменяются в течение суток и зависят от времени года.

Распространение радиоволн в атмосфере сопровождается следующими явлениями:

1. Дифракция радиоволн – явление огибания радиоволнами препятствий на пути распространения. Дифракция тем меньше, чем меньше длина волны.

2. Изменение (искривление) направления распространения радиоволн в неоднородной среде за счет преломления (рефракции) и отражения радиоволн от неоднородностей.

Радиоволны распространяются в воздушной среде прямолинейно. Однако если слои атмосферы отличаются один от другого плотностью, будут отличаться и их электрические характеристики, в частности, диэлектрическая проницаемость. Радиоволны будут преломляться, т.е. их путь распространения искривляется. Явление искривления направления распространения радиоволн в неоднородной среде получило название атмосферной рефракции. Если диэлектрические плотности сред, в которых распространяются радиоволны, сильно отличаются друг от друга (например, «воздух – земля», «воздух – вода»), радиоволны будут испытывать не только преломление, но и отражение. При этом так же, как и в геометрической оптике, угол падения будет равен углу отражения.

3. Интерференция радиоволн – сложение двух или нескольких волн, при котором в различных точках пространства получается усиление или ослабление («замирание») амплитуды результирующей волны в зависимости от соотношения между фазами этих волн.

При интерференции двух волн интерференционные максимумы находятся в тех точках, в которых колебания, соответствующие обеим волнам, совершаются с разностью фаз, равной 0 или кратной 2π. Интерференционные минимумы находятся в точках, в которых разность фаз колебаний равна нечетному числу π.

4. Рассеяние и затухание радиоволн в атмосфере.

Рассеяние энергии. С увеличением расстояния от излучателя (антенны) плотность потока энергии в определяемой точке пространства уменьшается. Для выявления этой зависимости допустим, что вся мощность, которую излучает антенна, распространяется во все стороны равномерно, не испытывая поглощения. Если предположить существование вокруг антенны некоторой сферической поверхности, мощность, проходящая через единицу поверхности сферы, в центре которой находится излучатель, определится величиной модуля вектора Умова-Пойнтинга:

где: П – плотность потока энергии, Вт/м²;

Р_∑ - мощность, излучаемая антенной, Вт;

r – расстояние от излучателя до точки приема, м.

Таким образом, величина плотности потока энергии радиоволны с увеличением расстояния от антенны убывает пропорционально квадрату расстояния.

При распространении радиоволн их энергия для рассматриваемой точки местности непрерывно уменьшается не только из-за явления рассеяния. Часть энергии радиоволн теряется при образовании токов проводимости в почве и в различных металлических предметах, так как под действием изменяющегося электрического и магнитного полей в проводниках появляется электрический ток вихревого характера, энергия которого частично превращается в тепло. Явление преобразования энергии радиоволн в другие виды энергии получило название поглощение энергии. В результате происходит затухание радиоволн.

Данные свойства обусловливают распространение радиоволн вдоль Земной поверхности или путем многократных отражений от Земли и от ионосферы (рис.4). В связи с этим различают поверхностные и пространственные радиоволны.

Свойства радиоволн в общем случае проявляются по разному в зависимости от длины волны

Длинные волны обладают явно выраженной дифракции вокруг поверхности Земли и больших препятствий, хорошо отражаются от ионосферы и Земли. Для них малы потери энергии в атмосфере и земной поверхности. Поэтому длинные волны распространяются на достаточно большие расстояния в виде поверхностных (до тысячи км) и пространственных (тысячи км) волн, как это показано на рис.5.

Рис.4. Виды радиоволн

Средние волны обладают дифракцией и способны преломляться в ионосфере и отражаться от Земли. Поэтому они также распространяются в виде поверхностных и пространственных волн (рис.6).

Рис.5. Распространение длинных волн

Рис.6. Распространение средних волн

Однако, у них дифракция выражена слабее и больше затухание в в земной поверхности. Поэтому дальность устойчивой радиосвязи на средних волнах несколько меньше чем длинных.

Для коротких волн характерно преломление в ионосфере и отражение от Земли. Так как короткие волны имеют незначительную дифракцию, то они распространяются в основном в виде пространственных волн (рис.7). Дальность связи составляет тысячи км даже при невысокой мощности передатчика. Однако, практическое использование коротких волн затруднено, что обусловлено следующими явлениями:

Рис.7. Распространение коротких волн

1. Наличие так называемого замирания (фединга), нарушающего устойчивость радиосвязи. Это обусловлено с тем, что поле в точке приема является результатом интерференции разных волн. Фазы этих волн могут быть разными или случайно изменяться при изменении состояния атмосферы. Поэтому возможно уменьшение уровня и даже пропадание сигнала в точке приема.

2. Образование «мертвых» зон, где радиосвязь невозможна. Это связано с наличием критического угла λ _КР падения коротких волн на ионосферу, при котором волны еще отражаются от нее. При углах падения λ<λ_Кр не отражаются, проходят через ионосферу и уходят в космическое пространство(рис.8).

Рис.8. Мертвая зона радиоприема на коротких волнах

Ультракороткие волны сильно поглощаются земной поверхностью. При обычных состояниях ионосферы ультракороткие волны не отражаются и беспрепятственно проходят за ее пределы, распространяясь в космическом пространстве. Они не обладают свойством дифракции поэтому они распространяются прямолинейно в пределах прямой видимости (рис.9). При этом наличие препятствий может привести к появлению зон неуверенного приема в "тени" этих препятствий. Это характерно для условий городской застройки с железобетонными зданиями, промышленными сооружениями и для приема в горной местности.

Кроме этого ультракороткие волны способны преломляться и рассеиваться на неоднородностях тропосферы, поэтому дальность УКВ радиосвязи может несколько превышать дальность прямой видимости (рис. 9) и достигать нескольких десятков километров и более.

Рис.9. Распространение ультра коротких волн