УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра АФУ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

«РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН»

для студентов очного и заочного обучения

по направлениям образования «Телевидение,

радиосвязь и радиовещание» и «Радиотехника»

Ташкент 2004

ОГЛАВЛЕНИЕ

			Стр.
ЛЕКЦИЯ	1	КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОВОЛН ПО ДИАПАЗОНАМ. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ СВОБОДНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН	7
ЛЕКЦИЯ	2	РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ	10
	2.1	Энергетические соотношения в условиях свободного пространства	10
	2.2	Зоны Френеля	13
ЛЕКЦИЯ	3	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ	16
	3.1	Строение атмосферы	16
		Химический состав атмосферы	16
		Плотность нейтральных частиц	17
		Распределение заряженных частиц в ионосфере	17
	3.2	Электрические свойства тропосферы	20
		Диэлектрическая проницаемость тропосферы	20
		Слоистые неоднородности	21
		Неоднородности турбулентного характера	21
	3.3	Электрические свойства ионосферы	21
		Диэлектрическая проницаемость и проводимость ионосферы	21
		Локальные неоднородности в ионосфере и ионосферные бури	24
		Мелкомасштабные неоднородности	24
		Крупномасштабные неоднородности	24
		Ионосферные возмущения или бури	25
ЛЕКЦИЯ	4	РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ	26
	4.1	Физические процессы, наблюдаемые при распространении радиоволн в атмосфере	26
	4.2	Преломление радиоволн	26
	4.2.1	Влияние тропосферы на распространение земных радиоволн. Явление атмосферной рефракции	27
		Учет атмосферной рефракции на распространение радиоволн в пределах прямой видимости. Понятие об эквивалентном радиусе Земного шара	28
	4.2.2	Преломление и отражение радиоволн в ионосфере	30
	4.3	Рассеяние радиоволн слабыми неоднородностями диэлектрической проницаемости атмосферы	31
	4.4	Влияние магнитного поля Земли на распространение радиоволн в ионосфере	33
	4.4.1	Распространение радиоволн в направлении постоянного магнитного поля Земли	33
	4.4.2	Распространение радиоволн в направлении перпендикулярном к направлению постоянного магнитного поля Земли	34
	4.5	Ослабление радиоволн в тропосфере	35
		Ослабление в газах	35
		Ослабление в осадках	36
	4.6	Ослабление в ионосфере	38
		Поглощение	38
		Поляризационные потери за счет эффекта Фарадея	38
ЛЕКЦИЯ	5	РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗЕМНЫХ РАДИОВОЛН	40
	5.1	Физические процессы при распространении земной волны. Классификация методов расчета поля земной волны	40
	5.2	Распространение радиоволн при поднятых передающей и приемной антеннах	42
		Многолучевая структура. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости	45
		Учет сферичности земной поверхности при расчете напряженности поля	45
		Расчет напряженности поля в зонах полутени и тени	46
	5.3	Распространение земных радиоволн при низкорасположенных антеннах	48
		Структура поля при низкорасположенных антеннах. Приближенные граничные условия Леонтовича	51
	5.4	Особенности распространения радиоволн при подземной радиосвязи	53
	5.5	Концепция  академика Мандельштамма о  "взлетной   и   посадочной площадках" при распространении радиоволн	54
ЛЕКЦИЯ	6	ЗАМИРАНИЯ СИГНАЛА. ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛА. ПОМЕХИ РАДИОПРИЕМУ	56
	6.1	Замирания сигнала	56
		Пространственная корреляция замираний	57
		Частотная корреляция замираний	57
		Временная корреляция замираний	58
		Разнесенный прием	58
	6.2	Искажения сигналов в тракте распространения	58
	6.3	Помехи радиоприему	59
		Характеристики помех природного происхождения	59
		Шумы космического происхождения	62
		Радиоизлучение атмосферы	63
		Радиоизлучение земной поверхности	63
		Атмосферные помехи	63
		Промышленные помехи	64
		Помехи станций	64
ЛЕКЦИЯ	7	ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕРХДЛИННЫХ И ДЛИННЫХ РАДИОВОЛН	65
		Изменения напряженности поля в течение суток	67
		Сезонные изменения напряженности поля	67
		Влияние цикла солнечной активности	67
		Нерегулярные изменения напряженности поля	68
ЛЕКЦИЯ	8	ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СРЕДНИХ РАДИОВОЛН	69
		Условия распространения земной волны	69
		Расчет напряженности поля земной волны	71
		Распространение ионосферной волной	71
		Случайные флуктуации напряженности поля	72
		Перекрестная модуляция в ионосфере	72
		Расчет напряженности поля ионосферной волны	73
		Зона обслуживания	73
ЛЕКЦИЯ	9	ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОРОТКИХ РАДИОВОЛН	75
		Основной механизм распространения коротких волн	75
		Рабочие частоты	75
		Модели распространения	76
		Замирания и разнесенный прием	78
		Время запаздывания	81
		Влияние ионосферных возмущений	81
		Расчет КВ радиотрассы	82
		Расчет напряженности поля	83
		Влияние условий распространения на работу радиовещания	84
		Волновое расписание	85
		Углы возвышения и требования к диаграммам направленности антенн	86
		Устойчивость работы	88
ЛЕКЦИЯ	10	ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ РАДИОВОЛН	89
	10.1	Распространение земной волны в диапазоне УКВ	89
		Шероховатая поверхность. Критерий Рэлея	89
		Расчет поля на открытых и закрытых трассах при клиновидном препятствии	91
		Флуктуации напряженности поля земной волны на открытых и полуоткрытых трассах	92
		Распространение земной волны и условия работы радио-вещательных систем. Статистический метод расчета поля	94
		Зона обслуживания вещательного передатчика	95
		Влияние местных предметов на распределение поля вблизи передающей антенны	95
		Распространение радиоволн в городе	96
	10.2	Дальнее тропосферное распространение	99
		Энергетический расчет линии ДТР	99
	10.3	Механизм ионосферного рассеяния	100
		Средние уровни поля при ионосферном рассеянии	103
		Замирания и разнесенный прием	104
		Искажения сигналов	105
	10.4	Распространение радиоволн за счет отражения от ионизированных метеорных следов	105
ЛЕКЦИЯ	11	ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ПРИ СВЯЗИ С ИСКУССТВЕННЫМИ СПУТНИКАМИ ЗЕМЛИ	110
		Основные потери в тракте распространения. Основные потери передачи	111
		Ослабление и деполяризация волн в тропосфере	111
		Тепловые и поляризационные потери, связанные с прохождением радиоволн через ионосферу	112
		Влияние рефракции	113
		Флуктуации уровня сигнала	114
		Внешние шумы, влияющие на работу радиолиний	114
		Запаздывание сигналов	115
ЛЕКЦИЯ	12	ВЗАИМНЫЕ ПОМЕХИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ	117
		Взаимные помехи станций	117
		Оценка уровня взаимных помех в диапазоне УКВ	117
		Оценка уровня взаимных помех в диапазонах КВ, СВ и ДВ	118
		Электромагнитная совместимость	119
ЛЕКЦИЯ	13	ПРОБЛЕМЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ			121

ЛЕКЦИЯ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОВОЛН ПО ДИАПАЗОНАМ. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ СВОБОДНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

Радиоволнами называют электромагнитные волны (ЭМВ), лежащие в диапазоне от 10³ до 10¹² Гц.

В системах связи и вещания широко используется свободное распространение радиоволн. При этом линией передачи является естественная среда, заполняющая пространство, в котором распространяются радиоволны от передающей антенны к приемной. На наземных линиях типа Земля-Земля такая среда включает атмосферу и поверхностные толщи Земли. На космических линиях типа Земля - космический аппарат путь распространения проходит через атмосферу Земли и космическое пространство.

Земная атмосфера и поверхностные толщи земли являются поглощающими электрически неоднородными средами. Их диэлектрическая проницаемость и проводимость не остаются постоянными в пространстве и во времени и изменяются в зависимости от частоты распространяющейся волны.

Резко выраженная частотная зависимость законов распространения приводит к необходимости разграничения диапазона радиоволн по поддиапазонам, в которых условия распространения радиоволн (РРВ) примерно одинаковы. Ниже, в табл.1.1 приведены частотные границы диапазонов и их названия.

Таблица 1.1 Частотные границы диапазонов и их названия

N	Частота	Длина волны	Диапазон	Метрическое подразделение волн
4	3 кГц...30 кГц	100км...10 км	СДВ	Мириаметровые
5	30 кГц...300 кГц	10 км...1 км	ДВ	Километровые
6	300 кГц...3000 кГц	1 км...100 м	СВ	Гектометровые
7	3 МГц...З0 МГц	100м...10 м	КВ	Декаметровые
8	30 МГц…300 МГц	10 м...1 м	УКВ	Метровые
9	300 МГц…3000 МГц	1 м...10 см	УКВ	Дециметровые
10	3 ГГц…30 ГГц	10 см...1 см	УКВ	Сантиметровые
11	30 ГГц...З00 ГГц	1 см...1 мм	УКВ	Миллиметровые
12	300 ГГц...3000 ГГц	1 мм…0,1 мм	УКВ	Децимилли-метровые

Так,  например, мы можем передать информацию на большие расстояния в декаметровом и сантиметровом диапазонах волн, но в декамет-ровом диапазоне мы сразу можем обеспечить дальность радиосвязи на тысячи и десятки тысяч км с шириной полосы сигнала в несколько кГц, а в сантиметровом диапазоне - с шириной полосы сигнала в несколько МГц, но через ретрансляторы, установленные в пределах прямой видимости.

Общую задачу о распространении радиоволн в реальной атмосфере вдоль реальной земной поверхности обычно разделяют на несколько отдельных задач, каждая из которых исследует свой механизм распространения, обусловленный частными свойствами тракта распространения.

Рис. 1.1. Механизмы распространения радиоволн (а- земной волной,

б- ионосферной волной, в- тропосферной волной, г- прямой волной)

К первому регулярному механизму относится РРВ вдоль границы раздела воздух - земная поверхность (рис. 1.1. а). Этот механизм подчиняется законам дифракции (дифракция - процесс огибания препятствия при длине волны λ больше размеров препятствия). Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли и частично огибающие выпуклость земного шара вследствие явления дифракции, получили название земных или поверхностных волн.

Интенсивная плавная электрическая неоднородность верхних ионизированных слоев атмосферы является причиной второго регулярного механизма РРВ с частотой до 30...40 МГц путем последовательного многократного отражения от ионизированных слоев атмосферы и поверхности Земли (рис.1.1.б). Радиоволны, распространяющиеся на большие расстояния  и огибающие земной шар в результате однократного или многократного отражения от ионосферы (λ ≥ 10 м), а так же волны, рассеивающиеся на неоднородностях ионосферы, получили название ионосферных или пространственных волн.

За счет слабых электрических неоднородностей локального характера в тропосфере происходит рассеивание радиоволн (рис.1.1.в). Механизм рассеивания используют для передачи информации на частотах выше 300 МГц на наземных радиолиниях. Радиоволны распространяющиеся на значительные расстояния до 1000 км за счет рассеивания в тропосфере и направляющего  действия тропосферы получили название тропосферных волн.

Связь  между земным пунктом и космической станцией может осуществляться только за счет так называемой прямой волны, которая распространяется через всю толщу атмосферы и космическое пространство (рис.1.1.г). Радиоволны, распространяющиеся в однородной или слабо неоднородной среде по прямолинейным или близким к ним траекториям, получили название свободно распространяющихся или прямых волн.

         Изучение частных механизмов распространения позволяет при проектировании линий связи выбирать основные параметры систем с учетом свойств тракта распространения.