Классификация радиоволн по диапазонам и способам распространения

Лекция 1

Тема: «Классификация радиоволн

Введение…………….……………………………………………….……..……….1

Классификация радиоволн по диапазонам и способам распространения.1

2.  Радиолинии………………………………………………………………………5

3. Помехи радиосвязи………………………………………………………………7

 

 

Введение

В настоящее время широкое распространение получила техника связи, в которой используется приемо-передатчик, работающий в диапазоне радиоволн. Но мало кому известно, что это за волны, каковы принципы передачи информации с их помощью. В данной работе мы постараемся на доступном уровне рассказать о классификации радиоволн, о способах их распространения, а также проанализируем основные параметры радиопередающих антенных устройств. Ведь в современном мире радиосвязь, радиовещание имеют огромное значение.

Классификация радиоволн по диапазонам и способам распространения.

Одной из важнейших характеристик любой реальной радиолинии, является преобладающий способ распространения электромагнитной волны. Он ограничивает максимальную дальность связи и скорость передачи информации, определяет медианный множитель ослабления, период и глубину замираний сигнала, условия ЭМС различных радиоэлектронных средств и т. д. В свою очередь преобладание того или иного способа распространения на данной трассе определяется рабочей частотой. Поэтому, большую практическую значимость имеет деление радиоволн по диапазонам частот (волн) и по способам их распространения.

Деление радиочастот и радиоволн на диапазоны, установлено международным регламентом радиосвязи. В соответствии с этим регламентом весь спектр электромагнитных волн и частот делят на ряд диапазонов, номера которых «n» определяют их нижние (исключительно) 0,3×10ⁿ Гц и верхние (включительно) 3×10ⁿ Гц частоты. При этом часть свободно распространяющихся в природных условиях ЭМВ, использующихся в радиотехнике для передачи сигналов, называют радиоволнами. К радиоволнам относятся диапазоны с n = 4¸12, наименование которых приведено в таблице 1.

 

Таблица 1

n	Граничные частоты	Наименование диапазона частот	Граничные длины волн	Наименование диапазона волн
4	3–30 кГц	Очень низкие (ОНЧ)	100–10 км	Мириаметровые или сверхдлинные (СДВ)
5	30–300 кГц	Низкие (НЧ)	10–1 км	Километровые или длинные (ДВ)
6	0,3–3 МГц	Средние (СЧ)	1000–100 м	Гектометровые или средние (СВ)
7	3–30 МГц	Высокие (ВЧ)	100–10 м	Декаметровые или короткие (КВ)
8	30–300 МГц	Очень высокие (ОВЧ)	10–1 м	Метровые (МВ)
9	0,3–3 ГГц	Ультравысокие (УВЧ)	100–10 см	Дециметровые (ДМВ)
10	3–30 ГГц	Сверхдлинные (СВЧ)	10–1 см	Сантиметровые (СМВ)
11	30–300 ГГц	Крайневысокие (КВЧ)	10–1 мм	Миллиметровые (ММВ)
12	0,3–3 ТГц	Гипервысокие (ГВЧ)	1–0,1 мм	Децимиллиметровые (ДММВ)

 

Опираясь на принятую десятичную классификацию, ширину спектра соответствующего диапазона определяют по формуле:

.              (1)

Эволюцию практического использования диапазонов радиоволн можно обозначить несколькими этапами.

На первом этапе развития радиотехники (примерно до 1918 года), потребности радиосвязи удовлетворялись в основном за счёт использования диапазонов СДВ и ДВ. Электромагнитные волны указанных диапазонов обладают хорошим круглосуточным распространением вокруг Земли и поэтому наиболее пригодны для систем глобальной радиосвязи, радионавигации и морской подвижной радиосвязи.

В то же время, к недостаткам практического использования указанных диапазонов следует отнести: громоздкостью антенных устройств, наличие высокого уровня атмосферных и промышленных помех, низкую пропускную способностью радиотракта.

На втором этапе (примерно до 1940года), с появлением и развитием таких областей прикладной радиотехники как: радиосвязь и радиовещание, радионавигация и радиолокация, возникла необходимость в использовании более высокого диапазона радиочастот. В частности, стали осваиваться СВ, имеющие те же преимущества и недостатки (но менее выраженные), что и ДВ, а также KB, которые на большие расстояния распространяются путём многократного отражения от земной поверхности и ионосферы. Радиоволны КВ диапазона оказались пригодными не только для глобальной радиосвязи и радиовещания, но и для различных систем подвижной и радиолюбительской связи. Однако в точку приёма радиоволны КВ диапазона как правило приходят различными путями, что приводит к явлению интерференции ЭМВ и, как следствие, к быстрым и глубоким изменениям уровня принимаемого сигнала.

Наконец на третьем, современном этапе, когда быстрыми темпами продолжают развиваться прежние службы радиосвязи и появились новые (подвижная и космическая радиослужбы, телеметрия, телеуправление и др.), радиоспециалисты были вынуждены обратиться и к остальным диапазонам радиоспектра.

Самое широкое применение в различных областях практической деятельности человека нашли MB. Электромагнитные волны этого диапазона слабо подвержены таким явлениям как дифракция и рефракция, но, в то же время, испытывают сильное ослабление при распространении вдоль поверхности Земли. В диапазоне МВ уровень атмосферных и индустриальных радиопомех значительно меньше, чем в выше рассмотренных диапазонах и поэтому доминирующими становятся помехи космического происхождения.

Распространение ДМВ и СМВ, так же как и МВ ограничивается, как правило, областью прямой видимости. Однако за счет механизма рассеяния и отражения электромагнитных волн слабыми неоднородностями тропосферы, экспериментально обнаруженного в начале 50-х годов, радиосвязь в этих диапазонах может осуществляться и на значительно большие расстояния, чем расстояние прямой видимости.

ДМВ и СМВ используются, как правило, в радиолокации, радионавигации, телевидении, в системах радиорелейной, тропосферной и космической связи, так как в этих диапазонах острую направленность антенн можно получить в совокупности с относительно небольшими их габаритами. Кроме этого, практическое отсутствие в диапазонах ДМВ и СМВ индустриальных радиопомех, а также слабой зависимости условий распространения ЭМВ от метеорологических условий, времени суток и года, увеличивает привлекательность их дальнейшего использования.

Несмотря на многолетние исследования, ММВ и ДММВ используются пока еще недостаточно широко. Основной причиной отсутствия значительного прогресс в области их практического применения является сильная зависимость условий распространения ЭМВ указанных диапазонов от дождя, снега, тумана, облаков, пылевых образований и других природных явлений.

Следует подчеркнуть, что нарезание одинаковых по перекрытию участков (10:1) придаёт современной системе классификации несколько формальный, искусственный характер.

Резкие разграничения в свойствах волн различных диапазонов при таком подходе отсутствуют, и сами диапазоны плавно переходят один в другой. Тем не менее, благодаря четкости и простоте, такое деление полностью оправдало себя.

Гораздо более сложным и строгим является деление радиоволн по механизмам и способам распространения. В принципе, в природе существует единый процесс возбуждения электромагнитного поля во всём окружающем пространстве. Однако в общем случае строгий метод расчета такого поля в настоящее время недоступен. В то же время, на реальных радиотрассах большая часть энергии поля сигнала переносится в пункт приёма за счет одного, преобладающего механизма распространения. Поэтому классификацию ЭМВ по способу их распространения целесообразно увязывать с такими присущими им явлениями как рефракция, дифракция, рассеяние, отражение и преломление показанными на рисунках (7¸10).

 

 

Радиоволны, излучаемые передающей антенной могут распространяться в атмосфере Земли, вдоль ее поверхности, в толще

Земли и в космосе достигая точки приема по траекториям, показанным на рисунке 11.

В зависимости от вида траектории ЭМВ различают:

1) прямые РВ – рисунок 11г;

2) поверхностные РВ – рисунок 11а;

3) тропосферные РВ – рисунок 11в;

4) ионосферные РВ – рисунок 11б.

Прямые волны – это радиоволны, распространяющиеся в однородной или слабонеоднородной среде, в частности, в космическом пространстве, по прямолинейным (или близким к ним) траекториям.

Поверхностные волны – радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли и частично огибающие выпуклость земного шара вследствие явления дифракции.

Тропосферные волны – радиоволны, распространяющиеся на значительные (примерно до 1000км) расстояния за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы.

Ионосферные волны – радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния в результате однократного или многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли.

Радиолинии

В радиолиниях связи средой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли. На Рис. 5.11 приведено упрощенное строение атмосферы Земли.

Рис. 2.1. Строение атмосферы Земли

Реально строение атмосферы более сложно и приведенное деление на тропосферу, стратосферу и ионосферу достаточно условно. Высота слоев приведена приблизительно и различна для разных географических точек Земли. В тропосфере сосредоточено около 80% массы атмосферы и около 20% - в стратосфере. Плотность атмосферы в ионосфере крайне мала, граница между ионосферой и космическим пространством является условным понятием, так как следы атмосферы встречаются даже на высотах более 400 км. Считается, что плотные слои атмосферы заканчиваются на высоте около 120 км.

Типичный вид радиолинии показан на Рис. 2.1. Линия может состоять из двух оконечных станций. Типичным примером таких радиолиний являются линии сетей передачи сообщений массового характера (сети телевизионного и радиовещания). Радиолиния может содержать несколько промежуточных переприемных станций. Так строятся линии радиорелейных систем передачи.

Рис. 2.2. Типичный вид радиолинии

Способы распространения радиоволн приведены в Табл. 2. Деление радиоволн на диапазоны установлено Международным регламентом радиосвязи МСЭ-Р.

Табл.2

Вид радиоволн	Основные способы распространения радиоволн	Дальность связи
Мириаметровые и километровые (сверхдлинные и длинные)	Дифракция Отражение от Земли и ионосферы	До тысячи км Тысячи км
Гектометровые (средние)	Дифракция Преломление в ионосфере	Сотни км Тысячи км
Декаметровые (короткие)	Преломление в ионосфере и отражение от Земли	Тысячи км
Метровые и более короткие	Свободное распространение и отражение от Земли Рассеяние в тропосфере	Десятки км   Сотни км

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На величину напряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов. Основные из них:

· отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;

· преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере);

· рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы (тропосфере);

· дифракция на сферической выпуклости Земли;

Также напряженность поля в точке приема зависит от длины волны, освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов.

Помехи радиосвязи

Условия работы приемной аппаратуры определяются не просто аб­солютным значением напряженности поля сигнала в месте приема, а отношением напряженности поля сигнала к уровню помех, или отно­шением сигнал / шум. Поэтому умение определять уровень помех, в заданном диапазоне волн имеет большое практическое значение, для осуществ­ления радиосвязи. Поэтому остановимся на вопросе о помехах, на их классификации и источниках.

Все помехи, создаваемые любому приемному устройству можно подразделить на два больших класса - внутренние и внешние.

Внутренние помехи присущи самой приемной аппаратуре.

Внешние помехи издаются внешними источниками и воздействуют на антенну приемного устройства. Внешние помехи подразделяются на преднамеренные, которые создаются противником для забитая работы радиоэлектронных средств и непреднамеренные, к которым относятся промышленные, атмосферные, космические и помехи от других рабо­тающих радиосредств или так называемые взаимные помехи. Рассмот­рим эти помехи подробнее:

• Промышленные помехи, создаются различного рода электрическими установками, работа которых сопровождается искрением (электромоторы, генераторы, трамвай, троллейбус, зажигание автомобилей, электросварка и т.п.). Эти помехи особенно существенны в крупных промышленных пунктах,
где их уровень достигает 100 мкВ/м в диапазоне волн 2000-10000 м (ДВ). На более коротких волнах уровень промыш­ленных помех уменьшается, так для диапазона дециметровых и коротковолнового участка метровых волн они не оказывают влияния, т.е. не ощущаются. Промышленные помехи обычно
стремятся подавить в месте их возникновения путем применения фильтрации и экранировки источников помех. Эффективной мерой борьбы с ними является удаление приемных центров от крупных промышленных объектов;

• Атмосферные помехи. Источниками атмосферных помех являются грозы, причем в основном грозы, происходящие в те­чение круглого года в экваториальных районах земного шара. Во время грозового разряда возникает мощный импульс. Та­кой импульс создает непрерывный спектр частот, причем амплитуда синусоидальных составляющих спектра убывает обратнопропорционально частоте. Наибольшего значения амплитуда достигает на частотах около 10 кГц. Практическое влияние атмосферные помехи оказывают на все диапазоны волн, однако на диапазоны дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн эти помехи сказываются только от местных гроз и их уровень очень незначителен. Интенсивность атмосферных помех с увеличением географической широты уменьшается, т.е. в полярных районах земного шара их значительно меньше. Однако в северных районах создаются атмосферные помехи, обусловленные частицами снега и льда, которые во время вьюги и буранов несутся с большими скоростями, электризуются и создают искрение. Уровень этих по­мех невысок и пропорционален силе ветра, но они проявля­ются в широком спектре частот, в том числе и в диапазоне сантиметровых волн. Для определения интенсивности грозо­вых помех в заданном пункте земного шара пользуются кар­тами атмосферных помех. Они составляются на основании многочисленных измерений уровня помех для различных се­зонов года (лето, осень, зима, весна) и для шести часовых ин­тервалов (00.00-04.00; 04.00-08.00 и т.д.).

• Космические помехи. Радиоизлучения, создаваемые внезем­ными источниками, называют космическими, а создаваемые этими излучениями помехи - космическими. Основным ис­точником радиоизлучения является Галактика, создающая фон радиоизлучения, на который накладывается излучение многих дискретных источников. Мощными дискретными ис­точниками радиоизлучения является Солнце, Юпитер, Са­турн, Венера, Луна, звезды, туманности Кассиопея, Лебедь и др. Излучение Галактики измерялось в диапазоне от средних до миллиметровых волн, на основании чего были построены карты распределения по небесной сфере. С повышением час­тоты помехи Галактики уменьшаются; определяющими они являются в диапазоне 18-30 МГц (коротковолновой диапазон). Земля также является источником радиоизлучения, и это излу­чение может быть принято некоторыми типами антенн на Земле или антеннами космических кораблей при связи с Зем­лей.