Основные механизмы распространения радиоволн

По принятой в МСЭ классификации существует восемь основных механизмов распространения радиоволн [ ??? ]:

- в пределах прямой видимости; - посредством земной волны; - посредством пространственной волны, состоящей из прямой волны и волн, отраженных от подстилающей поверхности трасс распространения и слоистых неоднородностей атмосферы; - через тропосферный волновод; - посредством ионосферной волны; - посредством дифракции радиоволн; - посредством тропосферного рассеяния радиоволн; - посредством рассеяния радиоволн на гидрометеорах атмосферы.

Отметим, что первый из перечисленных механизмов распространения радиоволн (“в пределах прямой видимости”) представляет собой идеализированный случай механизма “посредством пространственной волны, состоящей из прямой волны и волн, отраженных от подстилающей поверхности трасс распространения и слоистых неоднородностей атмосферы” и фактически имеет место в чистом виде лишь при связи космических станций между собой. Механизм “посредством дифракции радиоволн” часто является составной частью процесса распространения радиоволн на тех пролетах радиорелейных линий, где существенно проявляется влияние препятствий распространению волн на трассе.

Механизмы распространения радиоволн подразделяются на долгосрочные и краткосрочные. Кдолгосрочныммеханизмам распространения радиоволн относятся механизмы прямой видимости, дифракции, тропосферного рассеяния и посредством земной волны, которые могут являться носителями как полезных, так и мешающих сигналов (см. рис. 7.1). Отметим, что механизм тропосферного рассеяния использовался как носитель полезных радиосигналов преимущественно при создании тропосферных систем радиосвязи, работавших в основном в конце прошлого века. (проверить – как сейчас?).

Распространение волн посредством земной волны характерно для относительно низкочастотных систем радиосвязи, в которых из-за большой длины волны можно обеспечить при заданной мощности излучения очень большую дальность радиосвязи из-за малого ослабления радиоволн в свободном пространстве и их высокой дифракционной способности – огибания крупных препятствий с малыми потерями.

Рис. 7.1 Механизмы распространения долговременных помех

К краткосрочным механизмам распространения радиоволн относятся тропосферное рассеяние при небольших расстояниях- так??, рассеяние на гидрометеорах, тропосферный волновод и некоторые другие. Эти механизмы распространения вследствие краткосрочности их действия могут описывать только распространение мешающих сигналов, хотя в отдельные интервалы времени они могут вызывать даже увеличение уровней полезных сигналов (в частности, при образовании временного тропосферного волновода). Однако, при проектировании систем радиосвязи рассчитывают только на долгосрочные механизмы распространения волн.

Для решения задач ЭМС в общем случае могут представлять интерес отличающиеся параметры распространения полезных и мешающих сигналов. В частности, для полезного сигнала с точки зрения анализа худшего случая ЭМС больший интерес представляет область значений уровней ПС, расположенная ниже его медианного значения, а для мешающего сигнала – выше его медианного значения.

7.3. Особенности распространения полезных радиосигналов

Диапазон частот 10 кГц…30 МГц На частотах ниже 30 кГц потери при распространении радиоволн приближаются к уровню потерь при распространении в свободном пространстве. При этом распространение радиоволн этих частот в волноводе, образованном нижней границей ионосферы и поверхностью Земли, может происходить на очень большие (десятки тысяч км) расстояния. В этом случае полезные сигналы в основном распространяются земной волной, а мешающие – ионосферной. Для расчета напряженности поля земной волны в этом случае используют кривые напряженности поля, которые учитывают диэлектрическую проницаемость и проводимость земной поверхности и справедливы при низко расположенной приемной антенне. В поддиапазоне 1…30 МГц преобладающим механизмом становится распространение за счет ионосферной волны, при этом для расчета напряженности поля используют специальные карты ионосферных прогнозов, которые учитывают состояние ионосферы в зависимости от месяца года, времени суток и других условий.

Потери при распространении радиоволн в свободном пространстве называютсяосновными потерями радиолинии и рассчитываются по формуле:

, дБ, (7.4)

где R – длина трассы “по дуге большого круга” (т.е. по выпуклой поверхности Земли между точками передачи и приема – см. раздел …), км; f – частота, МГц.

Диапазон частот 30МГц … 1 ГГц

Этот диапазон используется для создания систем и сетей радиотелевещания, подвижной связи и ряда других видов. За исключением самых нижних его частот распространение радиоволн происходит не за счет отражения от ионосферы, а за счет прямой видимости, дифракции и тропосферного рассеяния (убрать лишнее!!). При определенных метеоусловиях возникают явления сверхрефракции (очень интенсивного искривления траектории распространения радиоволн, приводящего к многоскачковому характеру распространения радиоволн и образованию тропосферных волноводов), которые являются следствием инверсии градиента индекса рефракции атмосферы (нарушения монотонного уменьшения диэлектрических свойств атмосферы по мере увеличения высоты над поверхностью Земли за счет динамических процессов различного происхождения в тропосфере). Другими существенными отклонениями от распространения в свободном пространстве в этом диапазоне являются тропосферное рассеяние и дифракция радиоволн на выпуклости Земли и на препятствиях на трассе распространения. Для учета тропосферного рассеяния радиоволн используется Рекомендация МСЭ-Р Р.369, а для учета дифракции на выпуклости Земли используется Рекомендация МСЭ-Р Р.527.

Рис. 7.2. Аномальные (кратковременные) механизмы распространения помех

При расчетах распространения радиоволн в условиях города в этом диапазоне используется Рекомендация МСЭ-Р Р.529 и модель Окамура-Хата. В этой модели учитываются расстояние, высоты расположения передающей и приемной антенн, процент застройки зданиями вблизи расположения приемной антенны, степень неровности земной поверхности и другие параметры. Иногда радиоволны этого диапазона (до 70 МГц) могут распространяться на большие расстояния за счет локальных неоднородностей ионосферы (так называемый, спорадический слой Е_s). Распространение радиоволн этого диапазона в тропосферном волноводе и за счет сверхрефракции рассматриваются в Рекомендациях МСЭ-Р Р.834 и Р.455. При этом учитывается характер трассы (сельская местность, пригород, город), высоты передающей и приемной антенн, а также тип трассы: сухопутная, или морская.

Диапазон частот 3 … 20 ГГц

В этом поддиапазоне действуют все описанные ранее факторы распространения радиоволн, за исключением отражения от ионосферы. Кроме того, в этом поддиапазоне весьма существенное влияние приобретает рассеяние и ослабление радиоволн на гидрометеорах и их поглощение в водяных парах и атмосферном кислороде. В частности, на частотах выше 6 ГГц ослабление радиоволн в дожде может привести к существенному ухудшению качества принимаемого сигнала. Методы расчета поглощения радиоволн за счет этих механизмов их распространения предполагают учет интенсивности дождей и климатологических параметров (давления, температуры и влажности) в различных регионах мира, что описано в Рекомендациях МСЭ-Р Р.837, Р.838, Р.45Пр. 3.

На трассах «Земля-космос» помимо затухания радиосигналов в водяных парах и атмосферном кислороде важное значение имеют такие явления распространения радиоволн, как замирания за счет мерцаний и деполяризации сигнала. Учет этих явлений описан в рекомендациях МСЭ-Р Р.679, 680, 681, 685.

Диапазон частот выше 20 ГГц

Основное достоинство этого диапазона заключается в широкой доступной полосе частот и возможности применения антенн с большими коэффициентами усиления. Основной недостаток – высокая подверженность атмосферным эффектам, которые приводят к большим ослаблениям сигнала. Кроме того, данный поддиапазон характеризуется наличием так называемых «окон прозрачности» и «окон поглощения» для радиоволн определенных частот. Наличие этих «окон» обусловлено селективным поглощением радиоволн конкретных частот в газах атмосферы (в основном, в кислороде и в парах воды). В частности, поглощение в кислороде максимально на частотах 60 и 119 ГГц, а в парах воды – на частотах 22 и 183 ГГц.