Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей, 2004

Для построения многоканальных телекоммуникационных систем самое широкое распространение получили радиорелейные и спутниковые системы передачи, использующие дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазоны радиоволн. В этом же диапазоне строятся и современные системы подвижной (мобильной) радиосвязи самого различного назначения. Более ранние системы подвижной радиосвязи использовали отдельные участки метровых волн. Поэтому представляется необходимым рассмотреть особенности распространения этих видов радиоволн.

Особенности распространения радиоволн метрового - миллиметрового диапазонов

Общие свойства радиоволн. Распространение радиоволн в свободном пространстве зависит от свойств поверхности Земли и свойств атмосферы. Условия распространения радиоволн вдоль поверхности Земли в значительной мере зависят от рельефа местности, электрических параметров земной поверхности и длины волны. Радиоволнам, как и другим волнам, свойственна дифракция, т.е. явление огибания волнами препятствий. Наиболее сильно дифракция сказывается в случае, когда геометрические размеры препятствий соизмеримы с длиной волны. Радиоволны, распространяющиеся у поверхности Земли и частично за счет дифракции огибающие выпуклость земного шара, называются земными, или

поверхностными радиоволнами.

Атмосферу Земли нельзя считать однородной средой. Давление, плотность, влажность, диэлектрическая проницаемость и другие параметры в разных объемах воздушного слоя имеют различные значения. По этим причинам скорости распространения в различных объемах неодинаковы и зависят от длины волны. Траектория радиоволн в атмосфере искривляется. Явление искривления или преломления радиоволн при распространении их в неоднородной среде получило название рефракции.

Радиоволны, распространяющиеся на большой высоте в атмосфере и возвращающиеся на Землю вследствие искривления траектории, рассеяния или отражения от атмосферных неоднородностей, называются пространственными, или ионосферными.

В точку приема могут приходить как пространственная, так и земная волны от одного и того же источника. Если фазы колебаний этих волн совпадают, то амплитуда суммарного поля возрастает,

и, наоборот - при сдвиге фазы волн на 180° суммарное поле ослабляется и может стать равным нулю. Указанное явление называется

интерференцией.

Влияние Земли и атмосферы на распространение радиоволн. Атмосферой называется газообразная оболочка Земли, простирающаяся на высоту более 1000 км. С точки зрения распространения радиоволн атмосферу Земли разделяют на три области, обладающие определенными отражающими и поглощающими свойствами: тропосферу (простирающуюся от поверхности Земли до высоты 10... 15 км); стратосферу (ограниченную снизу тропосферой, а сверху высотой примерно 60...80 км) и ионосферу (лежащую за пределами стратосферы вплоть до высот 15...20 тыс. км), представляющая ионизированный воздушный слой малой плотности над стратосферой и переходящий затем в радиационные пояса Земли.

Под влиянием лучей Солнца, космических лучей и других факторов воздух ионизируется, т.е. часть атомов газов, входящих в состав воздуха, распадается на свободные электроны и положительные ионы. Ионизированный воздух оказывает сильное влияние на распространение радиоволн.

Как известно, воздух не вызывает ослабления радиоволн практически во всех диапазонах частот и, казалось бы, поэтому земная волна должна распространяться без поглощения. Однако это верно лишь в том случае, если земная волна проходит высоко над поверхностью Земли. Если же радиоволны проходят вблизи от поверхности Земли, то часть энергии волны отклоняется в землю. Происходит это потому, что скорость распространения радиоволн в земле меньше, чем в воздухе, и при движении их вдоль поверхности Земли нижний край волны отстает от верхнего, фронт волны наклоняется и помимо движения вдоль поверхности Земли происходит ее распространение сверху вниз.

Если бы поверхностный слой Земли был идеально проводящим, радиоволны отражались бы от него без потерь, т.е. поверхностный слой Земли в этом случае был бы экраном, препятствующим прохождению волн в глубь почвы. В реальных условиях поверхностный слой Земли не является ни идеальным проводником, ни идеальным изолятором. Радиоволны, попавшие в этот слой, возбуждают в нем переменные электрические токи, которые часть своей энергии расходуют на нагрев почвы. Величина потерь энергии в поверхностном слое Земли сильно зависит от частоты радиоволн и сопро-

тивления почвы электрическому току. В почве с увеличением частоты радиоволн величина индицируемой ЭДС возрастает и соответственно увеличиваются токи поверхностного слоя Земли, которые создают электромагнитное поле обратного направления. Поэтому дальность распространения поверхностных волн очень быстро уменьшается с увеличением частоты.

При уменьшении проводимости грунта радиоволны глубже проникают в почву и, следовательно, возрастает их поглощение. Кроме того, с ростом частоты ухудшаются условия огибания (дифракции) радиоволнами препятствий.

Для построения многоканальных радиосистем передачи и систем подвижной радиосвязи в основном используются ультракороткие волны (УКВ) или радиоволны очень высоких (ОВЧ) и ультравысоких (УВЧ) частот, а также радиоволны сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот (см. табл. 1).

Этот диапазон радиоволн является наиболее широко используемым участком радиодиапазона. Большая частотная емкость этого диапазона и ограниченный пределами прямой видимости радиус действия позволяет разместить большое число одновременно работающих станций и осуществлять передачу информации в широкой полосе частот. Этот участок радиодиапазона позволяет одновременно передавать большое число телевизионных программ, организовать тысячи телефонных каналов аналоговых и цифровых систем передачи. Диапазон широко используется для радиолокации, радионавигации, связи с искусственными спутниками Земли. Диапазоны ОВЧ и УВЧ широко используются в основном для телевидения, радиовещания и радиосвязи с подвижными объектами. Диапазоны СВЧ и КВЧ отведены для различных видов многоканальной связи.

Распространение ультракоротких волн. К ультракоротким волнам (УКВ) в соответствии с Международным регламентом радиосвязи относятся волны короче 10 м, охватывающие два диапазона: от 30 до 300 МГц (10... 1 м - метровые) и от 300 до 3000 МГц (1 ...0,1 м - дециметровые волны).

Радиоволны этого диапазона распространяются в основном по прямолинейным траекториям и для них практически не свойственна дифракция и слабо отражаются от тропосферы, они не испытывают регулярных отражений от ионосферы, уходя в космическое пространство.

Радиус действия систем передачи, работающих в этих диапазонах, ограничен в основном пределами прямой (оптической) видимости между передающей и приемной антеннами (рис. 8).

Рис. 8. К определению расстояния радиовидимости

Незначительная дифракция радиоволн (огибание сферической поверхности Земли у горизонта) и слабая рефракция (оклонение направления распространения радиоволн от прямолинейного) в нижних слоях тропосферы несколько увеличивают расстояние радиовидимости (примерно на 15 %), которое рассчитывается по формуле

где 10 - расстояние радиовидимости, км; /7, и Ь2 - высоты подвеса передающей и приемной антенн, м. Радиовидимость не путать с прямой видимостью антенн.

Таким образом, если высота подвеса антенн /7, = /?2 = 25 м, то расстояние радиовидимости составит 41,2 км. Для осуществления связи на большие расстояния необходимо между пунктами Л и Б устанавливать промежуточные станции (или ретрансляторы) либо поднимать антенны на большие высоты. Первый принцип используется в радиорелейных системах передачи, где станции располагаются на расстоянии 50...70 км. Для увеличения зоны обслуживания телевизионного вещания используются антенны, расположенные на башнях большой высоты.

Связь в пределах радиовидимости характеризуется возможностью одновременного прихода в точку приема не только прямой волны, но и волны, отраженной от земной поверхности (рис. 9); рисунок построен в предположении, что расстояние между антеннами не превышает / < 0,2/0, когда сферичностью поверхности Земли можно пренебречь и считать ее плоской.

Как следует из рис. 9 в точке А на высоте /?т над Землей расположена передающая антенна, а в точке Б на высоте Л 2 - приемная. Расстояние между антеннами равно /.

Рис. 9. Двулучевая модель распространения радиоволн

вОВЧ и УВЧ диапазонах

Вточку Б приходят две волны: прямая (1) и отраженная от земной поверхности в точке С (2). В точке приема имеет место явление интерференции прямой и отраженной волн. Фазовый сдвиг между прямой и отраженной волнами равен

-

где к уже известным обозначениям добавились новые; Л - длина радиоволны и <рс - фазовый сдвиг при отражении волны от земной поверхности в точке С.

При изменении любой из величин /7Ь /?2 или /, определяющих разность хода прямой (1) и отраженной (2) волн, изменяются условия их интерференции, и напряженность поля приемной антенны будет иметь резко осциллирующий характер, при котором имеют место интерференционные максимумы и минимумы.

Интерференционные максимумы появляются при условии, что прямая и отраженная волны приходят в точку приема с одинаковы-

и, следовательно, происходит как бы усиление напряженности поля в точке приема.

то имеют место интерференционные минимумы и, следовательно, происходит ослабление напряженности поля в точке приема.

Если расстояние между передающей и приемной антеннами / > 0,2 10, то следует учитывать сферичность земной поверхности. Она проявляется в уменьшении разности хода прямой и отраженной волн, а также в расходимости отраженной волны.

Для учета влияния сферичности на разность хода вместо истинных высот антенн и Ь2 вводятся приведенные высоты, определяемые как высоты антенн над плоскостью, касательной к поверхности Земли в точке отражения С.

Расходимость волны при отражении ее от сферической поверхности проявляется в увеличении телесного угла отраженной волны по сравнению с телесным углом падающей волны. При этом плотность потока мощности отраженной волны уменьшается по сравнению со случаем отражения волны от плоской поверхности.

Интерференционные явления могут быть сведены до минимума оптимальным подбором высот антенн, расстояний между ними и длины волны.

Особенности распространения радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов или сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот. Такие радиоволны распространяются от источника излучения к месту приема подобно волнам света - в виде прямолинейных лучей. Необходимым условием для распространения таких радиоволн является отсутствие на их пути экранирующих (затеняющих) препятствий. Связано это с тем, что эти радиоволны обладают крайне слабой способностью дифрагировать на препятствия (огибать препятствия). Считается, что радиус действия технических средств СВЧ и КВЧ диапазонов ограничивается расстоянием прямой видимости (не путать с прямой радиовидимостью).

Другими словами, передающая и приемная антенны должны находиться на одной прямой - «видеть» друг друга. На наземных линиях радиосвязи расстояние прямой видимости определяется высотой подвеса передающей и приемных антенн и обычно не превышает 40...60 км. Однако это обстоятельство не мешает строить наземные линии радиосвязи протяженностью сотни и тысячи километров. В этом случае, как отмечалось выше, используется принцип последовательной ретрансляции сигналов (см. рис. 6) Так строятся радиорелейные линии связи прямой видимости.

Радиоволны нижней части СВЧ диапазона (до 3...5 ГГц) обладают свойством рассеяния на неоднородностях тропосферы - нижней части атмосферы Земли (от нескольких сотен метров до 10.. 12 км). В ней всегда есть локальные объемные неоднородности, вызванные различными физическими процессами. Эти неоднородности обладают свойством переизлучения радиоволн, падающих на них. Энергия переизлучения волн может улавливаться приемной антенной, находящейся далеко за пределами прямой видимости. Механизм тропосферного рассеяния радиоволн называют дальним тропосферным распространением радиоволн, позволяющим создавать так называемые тропосферные радиорелейные линии

с расстоянием между станциями передачи и приема 300...500 км. Для рассматриваемых диапазонов также характерно явление ин-

терференции радиоволн прямых, идущих к месту приема непосредственно от источника излучения, и отраженных от тех или иных объектов (поверхности Земли, зданий и т. п.).

На распространение радиоволн СВЧ и КВЧ диапазонов заметное влияние оказывают метеорологические процессы, происходящие вдоль трассы радиолинии: дождь, снег, туман. Считается, что эти влияния тем сильнее, чем выше частота (короче длина волны).

Антенно-фидерные устройства

Основные понятия и определения. Антенной называется устройство, предназначенное для излучения или приема электромагнитных волн. Антенна является необходимым элементом любого радиопередающего и радиоприемного устройства. Антенна радиопередатчика, или передающая антенна, предназначена для преобразования тока высокой частоты в энергию излучаемых ею электромагнитных волн. Приемная антенна, или антенна радиоприемника, улавливает электромагнитные волны и преобразует их в энергию высокочастотных колебаний.

Радиоканал, состоящий из передающей антенны, тракта распространения и приемной антенны, можно рассматривать как пассивный линейный четырехполюсник. Если в таком четырехполюснике поменять местами источник ЭДС и нагрузку, т.е. сделать приемную антенну передающей, а передающую - приемной, то параметры системы не изменятся. Это свойство пассивных линейных четырехполюсников называется принципом взаимности, из которого вытекает обратимость процессов приема и передачи. Обратимость

Распределение тока и напряжения вдоль вибратора подобно распределению в длинной линии, разомкнутой на конце. Пучность тока и узел напряжения получаются в середине вибратора, в месте подсоединения к нему генератора или питающего фидера. На концах вибратора, напротив, находятся узел тока и пучность напряжения.

Предположим, что полярность источника ЭДС такая, как на рис. 12, б. По проводам проходит ток I, заряжающий конденсатор, образованный плечами вибратора. Одновременно возникает магнитное поле Н. После

того как ток I, достигнув максимума, начинает падать, уменьшаясь до нуля, в плечах диполя остаются заряды, отмеченные на рисунке плюсами и минусами. Между плечами возникает электрическое поле Е, которое показано штриховой линией (в данном случае линии поля даны только между концами вибратора). Поскольку ток равен нулю, магнитное поле около диполя исчезает, а ранее образовавшаяся его волна продолжает распространяться в пространстве.

Далее процесс повторяется, но уже в обратном порядке. Так как полярность питающего напряжения меняется, ток будет протекать в обратном направлении. Заряды, накопленные на проводах, будут стекать, и плечи диполя перезаряжаются, т.е. возникает поле Е обратного направления. Отодвинувшиеся от вибратора силовые линии первоначального электрического поля теперь не заканчиваются на вибраторе, а замыкаются где-то в пространстве, как показано на рис. 12, в.

Ранее образовавшееся магнитное поле совместно с электрическим от-

кости, т.е. в плоскости, перпендикулярной оси диполя и проходящей через его середину. Излучение в осевых направлениях отсутствует. Волны, создаваемые такими антеннами, имеют сферический фронт.

Если полуволновый вибратор расположить вертикально, его размер можно уменьшить вдвое благодаря проводящим свойствам земли. При вертикальном расположении нижний конец антенны подключается к одному из зажимов генератора электромагнитных колебаний (рис. 13, а), второй зажим генератора при этом заземляется. Если предположить, что земля является идеальным проводником, то в ней наводится ЭДС, которая действует как зеркальное изображение основного вибратора (рис. 13, б). Такая антенна называется несимметричной антенной, ее высота приблизительно равна АЛ. Все сказанное справедливо только в том случае, когда земля

представляет собой идеальный проводник. Когда же земля обладает плохими проводящими свойствами, характер распределения тока в земной