Системы ультракоротковолновой радиосвязи.

К диапазону ультракоротких волн (УКВ) относят радиоволны длиной от 10 м до 1 мм (f = 30 МГц - 30000 МГц).

В нижнем пределе частот диапазон УКВ примыкает к КВ. Эта граница определена тем, что на УКВ, как правило, не может быть удовлетворено условие отражения радиоволн от ионосферы.

В верхнем пределе частот УКВ граничат с длинными инфракрасными волнами. Диапазон УКВ делится на поддиапазоны метровых, дециметровых, сантиметровых, миллиметровых волн, каждый из которых имеет свои особенности распространения, но основные положения свойственны всему диапазону УКВ. Условия распространения зависят от протяженности линии связи и специфики трассы.

Из-за малой длины УКВ плохо дифрагируют вокруг сферической поверхности Земли и крупных неровностей земной поверхности или других препятствий. Антенны стремятся расположить на значительной высоте над поверхностью Земли, так как при этом, во-первых, увеличивается расстояние прямой видимости и, во-вторых, уменьшается экранирующее влияние местных предметов, находящихся вблизи антенны.

Расстояние прямой видимости вычисляется по формуле:

или

где R₀ -радиус Земли; h₁ и h₂ - высоты подъема антенн, м.

В диапазоне УКВ земная поверхность может рассматриваться как идеальный диэлектрик, и проводящие свойства земной поверхности следует учитывать только при распространении метровых волн над морской поверхностью. Поэтому изменение проводящих свойств почвы (изменение ее влажности) практически не сказывается на распространении УКВ. Вместе с тем, даже небольшие неровности земной поверхности существенно изменяют условия отражения УКВ от поверхности Земли.

При расстояниях, много меньших предела прямой видимости, можно не учитывать влияние сферичности Земли и влияние рефракции радиоволн в тропосфере. Характерными особенностями распространения УКВ при этом являются большая устойчивость и неизменность уровня сигнала во времени при стационарных передатчике и приемнике.

При расстояниях прямой видимости на распространение УКВ влияют и метеорологические условия. С изменением коэффициента преломления тропосферы меняется кривизна траектории волны, причем для прямого и отраженного от земной поверхности лучей эти изменения могут оказаться различными. В результате изменяется разность фаз между прямым и отраженным лучами, а следовательно, меняется и уровень поля радиоволны, происходят замирания сигнала. Длительность таких замираний составляет 10-60 мин, глубина 20-30 дБ. Мешающее действие замираний усиливается с увеличением расстояния.

Распространение УКВ над пересеченной местностью и в городах.

Обычно вдоль линии связи на УКВ имеются большие или малые неровности, которые влияют на распространение радиоволн.

В общем случае учесть это влияние не представляется возможным. Для определения возможности установления связи в каждом конкретном случае необходимо построить профиль трассы и в зависимости от характера этого профиля определять возможность установления связи иным методом. Рассмотрим несколько примеров профилей трасс.

Трасса, проходящая над небольшими пологими холмами,при которомпередающая антенна расположена на пологом склоне холма.

В этом случае к приемной антенне могут прийти прямой луч АВ и три отраженных луча АС₁В, АС₂В и АС₃ С₃ В. При расчете напряженности электрического поля следует учитывать разность фаз этих лучей, обусловленную разностью хода и разными условиями отражения в точках С₁, С₂, С₃ и С₃'.

Трасса, проходящая над высоким холмом или горным кряжем.

На трассах УКВ протяженностью примерно 100-150 км, проходящих через горные кряжи высотой 1000 -2000 м, наблюдается явление, называемое усиление препятствием.

Это явление заключается в том, что интенсивность электромагнитного поля радиоволны при некотором удалении за препятствие оказывается больше, чем на том же расстоянии от передатчика на трассе без препятствий.

Объяснить усиление препятствием можно тем, что вершина горы служит естественным пассивным ретранслятором. Поле, возбуждающее вершину горы, складывается из двух волн - прямой АС и отраженной АDC.

Волны дифрагируют на острой вершине горы, как на клиновидном препятствии, и распространяются в область за гору. При этом к месту расположения приемной антенны В придут два луча СЕВ и СВ.

Следовательно, на участках трассы передатчик - гора и гора - приемник распространение идет в пределах прямой видимости. При отсутствии препятствия на расстоянии 100 - 150 км, намного превышающих предел прямой видимости, к месту приема доходит только весьма слабое поле, обусловленное дифракцией на сферической поверхности Земли и рефракцией. Расчеты и эксперименты показывают, что такое препятствие - ретранслятор может дать усиление напряженности электрического поля на 60-80 дБ.

Использование явления усиления препятствием оказывается экономически выгодным, избавляя от необходимости устанавливать высокогорные ретрансляционные станции. На некоторых радиорелейных линиях, проходящих в равниной местности, сооружают иcкуcтвенное усиливающее препятствие в виде сетки или системы проводов, что дает выигрыш в мощности и позволяет уменьшить высоту антенных мачт.

Распространение УКВ в пределах большого города.

Большой город можно рассматривать как сильно пересеченную местность. Многочисленные опыты показали, что в среднем напряженность поля метровых и дециметровых волн в городе меньше, чем на открытой местности, примерно в 3-5 раз. Поэтому грубую оценку среднего уровня напряженности поля на этих волнах можно производить по (3.1). вводя в нее множитель 0,2 - 0,4.

В сантиметровом диапазоне волн ослабление еще сильнее.

Если имеется прямая видимость между передающей и приемной антеннами, то расчет можно вести по (3.1), причем высоту расположения антенны следует отсчитывать от среднего уровня крыш.

Внутри помещений структура поля является еще более сложной и практически не поддается расчету. Измерения напряженности поля внутри помещения показали, что в помещениях верхних этажей напряженность поля составляет 10-40 % напряженности поля над крышей, а в первом этаже -3-7 % этой величины.

Распространение УКВ на большие расстояния в условиях сверхрефракции.

При расстояниях, превышающих расстояние прямой видимости, напряженность поля радиоволн резко убывает. На этих расстояниях распространение происходит вследствие дифракции радиоволн вокруг сферической поверхности Земли, рефракции радиоволн в тропосфере и рассеяния их на неоднородностях тропосферы. Резкое увеличение дальности распространения УКВ происходит, когда область сверхрефракций занимает значительные расстояния над земной поверхностью. В этом случае радиоволна распространяется путем последовательного чередования двух явлений: рефракции в атмосфере и отражения от земной поверхности. Такой вид распространения волн получил название атмосферного волновода. Но при этом от атмосферы отражается только часть энергии волны, которая используется для приема, а остальная, преломляясь, уходит через верхнюю стенку волновода.

Для атмосферного волновода определенной высоты по аналогии с металлическим волноводом имеется некоторая критическая длина волны. Волны, длиннее критической, быстро затухают и не распространяются. Критическая длина волны λ_кр(м) связана с высотой волновода h_в (м) соотношением

Высота атмосферных волноводов h_в достигает несколько десятков метров, следовательно, волноводное распространение возможно только для сантиметровых и дециметровых волн.

В условиях волноводного канала только наиболее пологие лучи отражаются от стенок канала, а более крутые лучи просачиваются сквозь стенки. Если передатчик и приемник находятся в пределах волновода, то прием УКВ оказывается возможен на больших расстояниях. В противном случае дальность приема может даже уменьшиться по сравнению с условиями нормальной рефракции.

Атмосферные волноводы появляются нерегулярно и поэтому обеспечить устойчивую радиосвязь на больших расстояниях на волноводном распространении УКВ нельзя. Но это явление может служить причиной создания взаимных помех станциями, работающими в сантиметровом диапазоне волн и даже разнесенными на большие расстояния.

Системы тропосферной связи.

Неоднородности тропосферы представляют собой области, в которых диэлектрическая проницаемость отличается от среднего значения для окружающей тропосферы.

Под действием поля проходящей волны в каждой неоднородности тропосферы наводятся токи поляризации, и создается электрический момент. В результате этого неоднородности действуют как вторичные излучатели. Вторичное излучение совокупности неоднородностей можно характеризовать некоторой диаграммой направленности с максимумом излучения в сторону первоначального движения волны.

Поле, созданное вблизи земной поверхности, есть результат интерференции полей, переизлученных большим числом неоднородностей. Вследствие изменения структуры и местоположения неоднородностей поле непрерывно флуктуирует и является случайной функцией времени. Период флуктуаций составляет 0,2 - 10 с.

Работу линии связи, использующей рассеяние радиоволн на неоднородностях тропосферы, можно объяснить следующим.

В результате пересечения в пространстве диаграмм направленности передающей и приемной антенн, условно ограниченных прямыми АD – АС₁ и ВD₁ - ВС, образуется объем атмосферы СDC₁ D₁, называемый рассеивающим объемом .

Он и участвует в передаче радиоволн от пункта А к пункту В. Для увеличения напряженности электрического поля, в месте приема стремятся к уменьшению угла между направлением первоначального движения волны и направлением в точку приема (угол Q).

Характерной особенностью рассматриваемых линий связи является их узкополосность. Максимальная ширина полосы частот, которая может быть передана без искажений, определяется временем запаздывания луча АСВ относительно луча АС₁ В, т.е. шириной диаграмм направленности антенн. Практически с допустимыми искажениями можно передать полосу частот в 1-2 МГц.

При тропосферном рассеянии всегда наблюдаются быстрые и медленные замирания сигнала. Для борьбы с замираниями прием производится на разнесенные (две или четыре) антенны, причем антенны разносятся по линии, пер­пендикулярной трассе распространения радиоволн, а расстояние разноса составляет (70-100)λ. Сигналы, принятые на эти антенны, складываются после детектирования в приемном устройстве. Используется также разнесение по частоте, когда одна и та же информация одновременно передается на частоте f₁ и частоте f₂= f₁ + Δf, причем Δf/f₁= (2-5)х10^-3. Замирания на этих двух частотах не коррелированы. Ведут прием либо наиболее сильного из двух сигналов, либо сигналы складываются после детектирования.

Большими преимуществами радиосвязи путем ионосферного рассеяния метровых волн по сравнению с линиями связи на КВ являются возможность круглосуточной работы на одной рабочей частоте и отсутствие нарушений связи. На этих линиях достигается большая надежность радиотелеграфной связи в приполярных областях. Однако связь на метровых волнах требует применения передатчиков мощностью порядка 10 кВт и антенн с коэффициентом усиления 20-30 дБ.

Дальность УКВ связи между двумя тропосферными станциями может составлять от 150 до 600 км.

Уровень принимаемого сигнала при тропосферной радиосвязи пропорционален объему переизлучения, т.е. с увеличением рассеива­ющего объема мощность принимаемого сигнала возрастает. Это объясняется тем, что с увеличением объема увеличивается число неоднородностей, участвующих в переизлучении. Определенный выигрыш дает, как показала практика дальней тропосферной связи, применение антенн с различной направленностью в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Обычно выбирают ширину диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости меньшей, чем ее значение в вертикальной плоскости. Это свидетельствует о том, что слоистые неоднородности тропосферы вносят наибольший вклад в образование рассеянного поля в точке приема, чем локальные и другие неоднородности.

Использование остронаправленных антенн кроме того существенно снижает эффект замирания в тропосферных линиях связи, так как в точку приема в этом случае будут приходить лучи от близко­расположенных друг к другу неоднородностей рассеивающего объема. Их относительное запаздывание будет небольшим.

Замирания в значительной степени ухудшают надежность связи, а в некоторых случаях приводят к продолжительным ее перерывам.

Для тропосферной радиосвязи в основном используются дециметровый и сантиметровый диапазоны волн.

В качестве антенных устройств тропосферных систем связи применяются осесимметричные и осенесимметричные параболические антенны. У антенн первого типа параболическое зеркало делается круглой формы диаметром 10-20м. В подвижных тропосферных системах связи этот размер находится в пределах от 2 до 10 метров. Осенесимметричные антенны обычно выполняются с прямоугольным зеркалом размером от 20x20 до 30x30 метров. Ширина диаграммы направленнос­ти антенн зависит от размеров зеркала и рабочей частоты. Так, например, при диаметре параболоида 10м на частотах от 300 MГц до 10 ГГц можно практически получить ширину диаграммы направленности по половинной мощности от 5одо 0,2о. При указанных условиях коэффициент усиления параболических антенн находится в пределах от 30 до 55 дБ.

Следует обратить внимание, что в непосредственной близости от антенн существует электромагнитное поле с большой напряжен­ностью. Это создает опасность облучения обслуживающего персонала и окружающих. Поэтому помещение станции, жилые дома и другие постройки должны быть вынесены за пределы опасной зоны.

Передатчики станций дальней тропосферной связи характеризуются большой мощностью (от единиц до десятков кВт и более.) Применение мощных ламп бегущей волны позволяет получить требуемую мощность и широкополосность (до 30% от значений несущей). В настоящее время продолжаются интенсивные разработки мощных электронных приборов для дециметрового и сантиметрового диапазонов.

Приемники станций тропосферной радиосвязи должны обладать высокой чувствительностью, низким уровнем собственных шумов. Поэтому в приемниках в качестве малошумящих усилителей СВЧ используются параметрические усилители и усилители на туннельных диодах, которые обеспечивают усиление до 25 дБ и имеют эквивалентную шу­мовую температуру 150...300 К. Системы тропосферной связи работа­ют в диапазоне частот 0,3...6 ГГц и являются широкополосными системами. Они могут работать совместно с оконечной аппаратурой уплотнения и обеспечивать одновременную передачу по 300 каналам ТЧ и более в полосе частот до 1 Мгц. Дальнейшее расширение полосы частот системы затруднено в связи со значительным проявлением эффекта замираний. Радиостанции тропосферной связи широко используются для организации радиорелейных линий.

К достоинствам тропосферной связи следует отнести:

1. Возможность обеспечения устойчивой связи в условиях Заполярья при наличии северного сияния и магнитных бурь, когда другие виды радиосвязи на более низких частотах нарушаются на продолжительное время.

2. Возможность обеспечения связи через большие водные преграды, где невозможно использование радиорелейной связи и прокладка кабелей.

3. Экономическая выгода строительства линий тропосферной связи в труднодоступных районах.

4. Лучшая техническая надежность т.к. уменьшается, в 5…8 раз количество ретрансляционных пунктов.

5. Высокая направленность излучения, что улучшает ЭМС.

6. Возможность продолжать обеспечение связи за счет уменьшения количества каналов и надежности связи при выходе из строя одной из промежуточных станций.

7. Большая протяженность линии (до 20000 км).

8. При прокладке трассы, особенно в труднодоступных районах, можно прокладывать ее вдоль существующих дорог.

Тропосферная связь имеет и ряд отрицательных сторон:

- тропосферные станции весьма громоздки. Для компенсации большого ослабления сигнала необходимы мощные передатчики, чувствительные приемники, антенны с большим коэффициентом усиления, мощные источники электропитания;

- применение мощных передатчиков приводит к образованию около станций зон вредного биологического воздействия на человека;

- дороговизна аппаратуры тропосферных станций.

Этот вид связи в настоящее время во многих случаях заменяет такие традиционные виды связи, как коротковолновую, радиорелейную и электропроводную. Кроме этого, при разнесенном приеме могут применяться следующие методы комбинирования (сложения) радиосигналов, повышающих устойчивость связи: автовыбор, линейное сложение, оптимальное сложение.

Автовыбор состоит в том, что в любой отрезок времени исполь­зуется только тот из приемников, на выходе которого сигнал имеет наибольшую величину. Наличие коммутационных помех и меньшая эффективность автовыбора по сравнению со сложением сигналов ограничивает применение этого метода.

При линейном сложении амплитуда результирующего сигнала пря­мо пропорциональна сумме амплитуд составляющих, подаваемых на вход устройства комбинирования.