Сверхдальнее распространение УКВ

1. Если при положительной рефракции радиус кривизны траектории , то возникает критическая рефракция (рис. 3.11, а). При наступает сверхрефракция (рис. 3.11,6).

Рис. 3.11. Траектории лучей в тропосфере:

а) – при критической рефракции, б) – при сверхрефракции

В этих случаях волна может распространяться далеко за пределы прямой видимости. Сверхрефракция возникает при выполнении условия g<—0,157 1/м. При этом индекс преломления N должен очень быстро уменьшаться с высотой, что бывает в том случае, когда температура воздуха с высотой не падает, как обычно, а возрас­тает. Такие условия называют температурной инверсией. Область тропосферы, в которой возникает сверхрефракция, называют тро посферным волноводом. Наиболее часто тропосферные волноводы возникают в приморских районах, когда существует большая разница температур воздуха над сушей и над морем. В эти случаях ветер может переместить теплый воздух, который расположится над холодным, и возникнет температурная инверсия. Поскольку тропосферные волноводы возникают нерегулярно, их нельзя использовать для построения радиолиний. Возможное возникновение тропосферных волноводов необходимо учитывать при распределении частот на радиолиниях, чтобы избежать взаимных помех.

2. Тропосферное рассеяние. Тропосферные неоднородности вызывающие рассеяние, представляют собой области, в которых давление, влажность и температура воздуха отличаются от средних значений, наблюдаемых в окружающей среде. Примером однородностей являются облака. Неоднородности возникают и при отсутствии облачности за счет завихрений, образующихся при перемещении воздушных масс. Эти вихри присутствуют при любых метеорологических условиях. Наиболее интенсивно неоднородности образуются на высотах 1... 2 км. Каждая неоднородность отличается своей диэлектрической проницаемостью от окружающей среды. Это отличие невелико (не более 20%), поэтому радиоволна, падающая на неоднородность, в основном, ходит сквозь нее. Однако часть энергии радиоволны при этом рассеивается в разные стороны. Зеркальное отражение неоднородность не вызывает, так как не имеет четкой границы. Поле, переизлучаемое в направлении приемной антенны (рис. 3.12), образуется неоднородностями, расположенными в объеме V, ограниченном диаграммами направленности передающей и приемной антенн. Как показывают исследования, с увеличением угла рассеяния поле, переизлучаемое в направлении приемной антенны уменьшается.

Поле в точке приема образуется за счет сложения (интерференции) множества волн, рассеянных отдельными неоднородностями в объеме V. Сдвиги фаз между интерферирующими волнами постоянно хаотически изменяются. В результате значение суммарной напряженности поля изменяется по случайному закону (рис. 3.13). Эти изменения поля называются интерференционными замираниями.

Рис. 3.13. Типичная зависимость Рис. 3.12. К вопросу о связи за счет уро­вня напряженности поля от време­ни тропосферного рассеяния

при замираниях (запись на лен­те самописца)

Сдвиги фаз между интерферирующими волнами зависят от частоты. При широком спектре частот сигнала сдвиги фаз для отдельных составляющих спектра оказываются различными: одни составляющие в данный момент могут иметь максимальный уровень, другие — минимальный. Если отдельные участки спектра замирают неодновременно, замирания называют селективными. Селективные замирания не позволяют передавать по тропосферным линиям широкополосные сигналы, например, телевизионные.

3. Сверхдальнее распространение метровых волн возможно и за счет влияния ионосферы. При возникновении спорадического слоя Es отраженная им волна преодолевает одним скачком 2000 км. Регулярную связь путем отражений от Es слоя организовать невозможно.

Регулярное сверхдальнее распространение метровых волн происходит за счет рассеяния на неоднородностях электродной концентрации N, существую­щих в слое D и в нижних областях слоя Е. Механизм этого распространения подобен тому, который наблюдается при рассеянии в тропосфере. Большая высота области, в которой происходит ионосферное рассеяние, обеспечивает связь одним скачком на расстояниях до 2000 км. При изменении расстояния между передающим и приемным пунктами необходимо изменять положение диаграмм направленности антенн, чтобы обеспечивать их пересечение на той высоте, где происходит интенсивное ионосферное рассеяние (75... 90 км). На расстояниях, меньших 1000 км, связь за счет ионосферного рассеяния практически невозможна, так как из-за большого угла рассеяния на коротких трасах ослабление сигнала очень велико. С укорочением длины волны интенсивность ионосферного рассеяния уменьшается вследствие уменьшения отличия диэлектрической проницаемости неоднородностей от единицы. На линиях ионосферного рассеяния применяют частоты 30... 60 МГц. Вследствие многолучевости связь за счет ионосферного рассеяния сопровождается селективными замираниями. Поэтому на этих линиях можно передавать информацию полосе не более нескольких килогерц, применяя передатчики с мощностью в несколько киловатт и используя разнесенный прием.

4. Сверхдальнее распространение метровых волн происходит также за счет отражения от ионизированных метеорных следов. В атмосферу Земли ежедневно с космическими скоростями вторгаются десятки миллиардов метеоров, образующих ионизированные столбы воздуха — метеорные следы. Некоторые из этих следов вызывают зеркальное отражение метровых волн, другие обеспечивают их интенсивное рассеяние. Вследствие движения ионизированного газа метеорные следы обычно расплываются в течение нескольких секунд. В среднем сильное отражение радиоволн от метеорного следа длится 0,2... 0,4 с и повторяется несколько раз в минуту. Из-за вращения Земли вокруг своей оси условия попадания метеоров в атмосферу зависят от времени суток, максимальное число наблюдается утром, минимальное — вечером.

Метеорная связь прерывиста, так как уровень сигнала, достаточный для передачи информации, существует только во время появления на трассе метеорного следа. Для передачи информации по метеорной линии связи информацию на передающем конце накапливают в промежутках между метеорными вспышками, а во время вспышки быстро передают по линии. В среднем передается несколько килобит в секунду при мощности передатчика около 1 кВт. Дальность метеорной связи составляет около 2000 км. Организация связи счет ионосферного рассеяния и отражения от метеоров целесообразна в полярных районах, где ионосферные бури часто нарушают распространение гектометровых волн, а прокладка проводных линий и организация тропосферной связи из-за малой плотности населения экономически нецелесообразны.

5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН НА КОСМИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ

В настоящее время наиболее развиты дальние УКВ радиолинии, на которых в качестве ретрансляторов используют искусственные спутники Земли (ИСЗ). Спутники, расположенные на высоте 30... 40 тыс. км, обеспечивают ретрансляцию сигналов пределах 1/3 земного шара. На радиолиниях Земля — ИСЗ и ИСЗ — Земля применяют волны длиной менее 3 м, которые не отражаются ионосферой.

Рис. 3.17. Эллиптическая Рис. 3.18. К определению угла

ор­бита ИСЗ воз­вышения траектории

радиоволны при спутниковой связи

Спутники-ретрансляторы располагают либо на высокой эллип­тической (рис. 3.18), либо на круговой геостационарной орбите.