Радиоволны и их распространение

« вернуться в раздел «Радиотехника — теория»

Радиоволны, и их распространение, являются неоспоримой загадкой для начинающих любителей эфира. Здесь можно познакомиться с азами теории распространения радиоволн. Данная статья предназначена для ознакомления начинающих любителей эфира, а также и для тех, кто имеет некоторое представление о нём.

Самая главная вводная, про которую часто забывают сказать, прежде чем познакомить с теорией распространения радиоволн, так это то, что радиоволны распространяются вокруг нашей планеты за счет отражения от ионосферы и от земли как от полупрозрачных зеркал отражается луч света.

Особенности распространения средних волн и перекрёстная модуляция

К средним волнам относятся радиоволны длиной от 1000 до 100 м (частоты 0,3 — 3,0МГц). Средние волны используются главным образом для вещания. А так же они являются колыбелью отечественного радиопиратства. Они могут распространяться земным и ионосферным путём. Средние волны испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, дальность распространения земной волны 1, (см. рис. 1), ограничена расстоянием 500—700 км. На большие расстояния радиоволны 2 и 3 распространяются ионосферной (пространственной) волной.

В ночное время средние волны распространяются путем отражения от слоя Е ионосферы (см. рис. 2), электронная плотность которого оказывается достаточной для этого. В дневные часы на пути распространения волны расположен слой D, чрезвычайно сильно поглощающий средние волны. Поэтому при обычных мощностях передатчиков, напряженность электрического поля недостаточна для приема, и в дневные часы распространение средних волн происходит практически только земной волной на сравнительно небольшие расстояния, порядка 1000 км. В диапазоне средних волн, более длинные волны испытывают меньшее поглощение, и напряженность электрического поля ионосферной волны больше на более длинных волнах. Поглощение увеличивается в летние месяцы и уменьшается в зимние. Ионосферные возмущения не влияют на распространение средних волн, так как слой Е мало нарушается во время ионосферно-магнитных бурь.

В ночные часы см. рис. 1, на некотором расстоянии от передатчика (точка В), возможен приход одновременно пространственной 3 и поверхностной волн 1, причем длина пути пространственной волны меняется с изменением электронной плотности ионосферы. Изменение разности фаз этих волн приводит к колебанию напряженности электрического поля, называемому ближним замиранием поля.

На значительное расстояние от передатчика (точка С) могут прийти волны 2 и 3 путем одного и двух отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн также приводит к колебанию напряженности электрического поля, называемому дальним замиранием поля.

Для борьбы с замираниями на передающем конце линии связи применяются антенны, у которых максимум диаграммы направленности «прижат» к земной поверхности, к ним можно отнести простейшую антенну «Inverted-V», достаточно часто применяемую радиолюбителями. При такой диаграмме направленности зона ближних замираний удаляется от передатчика, а на больших расстояниях поле волны, пришедшей путем двух отражений, оказывается ослабленным.

К сожалению не все начинающие радиовещатели, работающие в диапазоне частот 1600-3000кГц знают, что слабый сигнал от маломощного передатчика подвержен ионосферным искажениям. Сигнал от более мощных радиопередатчиков ионосферным искажениям подвержен меньше. Ввиду нелинейной ионизации ионосферы, происходит модуляция слабого сигнала модулирующим напряжением сигналов мощных станций. Это явление называется перекрестной модуляцией. Глубина коэффициента модуляции достигает 5-8%. Со стороны приема создаётся впечатление не качественно выполненного передатчика, со всевозможными гулами и хрипами, особенно это заметно в режиме АМ модуляции.

За счет перекрестной модуляции в приемник часто проникают интенсивные грозовые помехи, которые невозможно отфильтровать — грозовой разряд модулирует принимаемый сигнал. Именно по этой причине радиовещатели для проведения двусторонней радиосвязи стали применять однополосные передатчики и стали чаще работать на более высоких частотах. Зарубежные радиовешатели СВ станций, умощняют их, и подвергают компрессии модулирующие сигналы, а для неискаженной работы в эфире, применяют инверсные частоты.

Явления демодуляции и перекрестной модуляции в ионосфере наблюдаются только в диапазоне средних волн (СВ). В диапазоне коротких волн (КВ) скорость электрона под действием электрического поля ничтожно мала по сравнению с его тепловой скоростью и присутствие поля не меняет числа столкновений электрона с тяжелыми частицами.

Наиболее благоприятны, в диапазоне частот от 1500 до 3000кГц для дальних связей, являются зимние ночи и периоды минимума солнечной активности. Особо дальние связи, более 10000 км, обычно возможны в часы захода и восхода солнца. В дневные часы связь возможна на расстояние до 300 км. Свободные радиовещатели FM диапазона могут только позавидовать таким большим радиотрассам.

В летнее время на этом диапазоне часто мешают помехи от статических разрядов в атмосфере.

Особенности распространения коротких волн и их характеристики

К коротким волнам относятся радиоволны длиной от 100 до 10 м (частоты 3—30 МГц). Преимуществом работы на коротких волнах по сравнению с работой на более длинных волнах является то, что в этом диапазоне можно легко создать направленные антенны. Короткие волны могут распространяться как земные, в низкочастотной части диапазона, и как ионосферные.

С повышением частоты сильно возрастает поглощение волн в полупроводящей поверхности Земли. Поэтому при обычных мощностях передатчика земные волны коротковолнового диапазона распространяются на расстояния, не превышающие нескольких десятков километров. На морской глади, это расстояние значительно увеличивается.

Ионосферной волной короткие волны могут распространяться на многие тысячи километров, причем для этого не требуется передатчиков большой мощности. Поэтому в настоящее время короткие волны используются главным образом для связи и вещания на большие расстояния.

Короткие волны распространяются на дальние расстояния путем отражения от ионосферы и поверхности Земли. Такой способ распространения называют скачковым см. рис. 2 и характеризуется расстоянием скачка, числом скачков, углами выхода и прихода, максимальной применимой частотой (МПЧ) и наименьшей применимой частотой (НПЧ).

Если ионосфера однородна в горизонтальном направлении, то и траектория волны симметрична. Обычно излучение происходит в некотором спектре углов, так как ширина диаграммы направленности коротковолновых антенн в вертикальной плоскости составляет 10—15°. Минимальное расстояние скачка, для которого выполняется условие отражения, называют расстоянием зоны молчания (ЗМ). Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не выше значения, максимально применимой частоты (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона для данного расстояния. Волна 4.

Применение антенн зенитного излучения, как один из приёмов уменьшения зоны молчания, ограничивается понятием максимально применимой частоты (МПЧ) с учётом снижения её на 15-20% от МПЧ. Антенны зенитного излучения применяют для вещания в ближней зоне методом односкачкового отражения от ионосферы.

Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере. Наименьшую — применимую частоту (НПЧ) определяют из условия, что при мощности передатчика в 1кВт, напряженность электрического поля сигнала должна превышать уровень шумов, а следовательно, поглощение сигнала в слоях ионосферы должно быть не больше допустимого. Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток, в течение года, и периода солнечной активности. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток.

Диапазон частот 1,5–3 МГц, является ночным. Понятно, что для успешного проведения сеанса радиосвязи нужно каждый раз правильно выбирать частоту (длину волны), к тому же это усложняет конструкцию станции, но для настоящего ценителя дальних связей это не является трудностью, это часть хобби. Проведём оценку КВ диапазона по участкам.

Диапазон частот 5-8 мГц, во многом схож с диапазоном 3 мГц, и в отличае от него, здесь в дневное время можно связаться до 2000 км, зона молчания (ЗМ) отсутствует и составляет несколько десятков километров. В ночные часы возможна связь на любое расстояние за исключением ЗМ, которая увеличивается до нескольких сот километров. В часы смены времени суток (заход/восход), наиболее удобны для дальних связей. Атмосферные помехи менее выражены, чем в диапазоне 1,5-3 мГц.

В диапазоне частот 10-15 мГц в периоды солнечной активности возможны связи в дневное время суток практически с любой точкой земного шара. Летом продолжительность радиосвязи в этом диапазоне частот бывает круглосуточной, за исключением отдельных дней. Зона молчания ночью имеет расстояния в 1500-2000 км и по этому возможны только дальние связи. В дневное время они уменьшаются до 400-1000 км.

Диапазон частот 27-30 мГц пригоден для связи только в светлое время суток. Это самый капризный диапазон. Он обычно открывается на несколько часов, дней или недель особенно при смене сезонов, т.е. осенью и весной. Зона молчания (ЗМ) достигает 2000-2500 км. Это явление относится к теме МПЧ, здесь угол отраженной волны должен быть малым по отношению к ионосфере, иначе он имеет большое затухание в ионосфере, или простой уход в космические просторы. Малые углы излучения соответствуют большим скачкам и соответственно большим зонам молчания. В периоды максимума солнечной активности возможна связь и ночью.

Помимо перечисленных моделей, возможны случаи аномального распространения радиоволн. Аномальное распространение может возникнуть при появлении на пути волны спорадического слоя, от которого могут отражаться более короткие волны, вплоть до метровых. Это явление можно наблюдать на практике прохождением дальних телестанций и FM радиостанций. МПЧ радиосигнала в эти часы доходит до 60-100 мГц в годы солнечной активности.

В диапазоне УКВ FM, за исключением редких случаев аномального распространения радиоволн, распространение обусловлено строго так называемой «прямой видимостью». Распространение радиоволн в пределах прямой видимости говорит само за себя, и обусловлено высотой расположения передающей и приёмной антенн. Понятно, что в условиях городской застройки ни о какой визуальной и прямой видимости говорить нельзя, но радиоволны проходят сквозь городские застройки с некоторым ослаблением. Чем выше частота, тем выше затухание в городских застройках. Диапазон частот 88-108 МГц так же подвержен некоторым затуханиям в условиях города.

Замирание радиосигналов диапазона КВ

Приём коротких радиоволн всегда сопровождается измерением уровня принимаемого сигнала, причем это изменение носит случайный и временной характер. Такое явление называют замираниями (федингом) радиосигнала. В эфире наблюдаются быстрые и медленные фединги сигнала. Глубина фединга может достигать до нескольких десятков децибел.

Основной причиной быстрых замираний сигнала является многолучевое распространение радиоволн. В этом случае причиной федингов служит приход в точку приема двух лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы, волна 1 и волна 3, см. рис 2.

Поскольку лучи проходят различные пути по расстоянию, фазы прихода их неодинаковы. Изменения электронной плотности, непрерывно происходящие в ионосфере, приводят к изменению длины пути каждого из лучей, а следовательно, и к изменению разности фаз между лучами. Для изменения фазы волны на 180° достаточно, чтобы длина пути изменилась всего на ½. Следует напомнить, что при приходе лучей одного сигнала в точку приёма с одинаковой силой и с разностью фаз на 180°, они полностью вычитаются по закону векторов, а сила приходящего сигнала в этом случае может быть равна нулю. Такие незначительные изменения длины пути могут происходить непрерывно, поэтому, колебания напряженности электрического поля в диапазоне коротких волн являются частыми и глубокими. Интервал их наблюдения в 3—7 минут может составлять на низких частотах КВ диапазона, и до 0,5 секунд на частотах ближе к 30 МГц.

Помимо этого, фединг сигнала вызываются рассеянием радиоволн на не однородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн.

Кроме интерференционных федингов, на коротких волнах, имеют место поляризационные фединги. Причиной поляризационных федингов является поворот плоскости поляризации волны относительно принимаемой антенны. Это происходит при распространении волны в направлении силовых линий магнитного поля Земли, и с изменением электронной плотности ионосферы. Если передающая и приемная антенны представляют собой горизонтальные вибраторы, то излученная горизонтально — поляризованная волна, после прохождения в ионосфере претерпит поворот плоскости поляризации. Это приводит к колебаниям э. д. с., наводимой в антенне, которое имеет дополнительное затухание до 10 дБ.

На практике все указанные причины замираний сигнала действуют, как правило, комплексно и подчиняются описанным законом распределения Релея.

Помимо быстрых замираний, наблюдаются медленные замирания, которые наблюдаются с периодом в 40—60 мин в низкочастотной части КВ диапазона. Причиной этих федингов является изменение поглощения радиоволн в ионосфере. Распределение огибающей амплитуды сигнала при медленных замираниях подчиняется нормально логарифмическому закону с уменьшением сигнала до 8-12 дБ.

Для борьбы с замираниями, на коротких волнах применяют метод приема на разнесенные антенны. Дело в том, что увеличение и уменьшение напряженности электрического поля происходят не одновременно даже на сравнительно небольшой площади земной поверхности. В практике коротковолновой связи используют обычно две антенны, разнесенные на расстояние нескольких длин волн, а сигналы складывают после детектирования. Эффективным является разнесение антенн по поляризации, т. е. одновременный прием на вертикальную и горизонтальную антенны с последующим сложением сигналов после детектирования.

Хочется отметить, что указанные меры борьбы действенны только для устранения быстрых замираний, медленные изменения сигнала не устраняются, так как это связано с изменением поглощения радиоволн в ионосфере.

В радиолюбительской практике метод разнесённых антенн используется довольно редко, ввиду конструктивной дороговизны и отсутствием необходимости приёма достаточно достоверной информации. Это связано с тем, что любители часто используют резонансные и диапазонные антенны, количество которых в его хозяйстве составляет около 2-3 штук. Использование разнесённого приёма требует увеличение парка антенн минимум вдвое.

Другое дело, когда любитель живёт в сельской местности, имея при этом достаточную площадь для размещения антифединговой конструкции, он может применить для этого просто два широкополосных вибратора, перекрывающие все, или почти все необходимые диапазоны. Один вибратор должен быть вертикальным, другой горизонтальным. Для этого совсем не обязательно иметь несколько мачт. Достаточно разместить их так, на одной мачте, чтобы они были сориентированы относительно друг друга под углом в 90°. Две антенны, в этом случае будут напоминать широко известную антенну «Inverted-V».

Расчет радиуса покрытия радиосигналом в УКВ/FM диапазонах

Частоты метрового диапазона распространяются в пределах прямой видимости. Радиус действия распространения радиоволны в пределах прямой видимости без учета мощности излучения передатчика и прочих природных явлений, уменьшающих эффективность связи, выглядит так:

r = 3,57 (√h1 + √h2), км,

Рассчитаем радиусы прямой видимости при установке приемной антенны на разных высотах, где h1 — параметр, h2 = 1,5 м. Сведем их в таблицу 1.

Таблица 1

Данная формула не учитывает затухание сигнала и мощности передатчика, она говорит лишь о возможности прямой видимости с учетом идеально круглой земли.

Произведем расчет необходимого уровня радиосигнала вместе приема для длины волны 3 м.

Поскольку на трассах между передающей станцией и подвижным объектом всегда присутствуют такие явления как, отражения, рассеяния, поглощения радиосигналов различными объектами и пр, следует вводить поправки в уровень затухания сигнала, что предложил японский ученый Okumura. Среднеквадратическое отклонение для этого диапазона с городскими застройками составит 3 дБ, а при вероятности связи в 99% введем множитель 2, что составит общую поправку П в уровне радиосигнала в
П = 3 × 2 = 6 дБ.

Чувствительность приемников определяется соотношением полезного сигнала над шумами в 12 дБ, т.е. в 4 раза. Такое соотношение при качественном радиовещании не приемлемо, поэтому введем дополнительную поправку еще в 12–20 дБ, примем 14 дБ.

Итого общая поправка в уровне принимаемого сигнала с учетом затухания его по трассе и специфике приемного устройства, составит: 6+16 20дБ (в 10 раз). Тогда при чувствительности приемника в 1,5 мкВ. в месте приема должно создаваться поле с напряженностью в 15 мкВ/м.

Рассчитаем по формуле Введенского радиус действия при заданной напряженности поля в 15 мкВ/м с учетом мощности передатчика, чувствительности приемника и городских застроек:

где r — км; Р — кВт; G — дБ (=1); h — м; λ — м; Е — мВ.

В данном расчете не учитывается коэффициент усиления приемной антенны, а также затухание в фидере и полосовом фильтре.

Ответ: При мощности в 10 Вт, высоте излучения h1=27 метров и h2=1,5м, реально качественный радиоприем с радиусом в городских застройках составит 2,5-2,6 км. Если учитывать, что прием радиосигналов вашего радиопередатчика будет осуществляться на средних и высоких этажах жилых зданий, то этот радиус действия увеличится примерно в 2-3 раза. Если принимать радиосигналы на вынесенную антенну, то радиус действия будет исчисляться десятками километров.

73! UA9LBG & Радио-Вектор-Тюмень