ЛЕКЦИЯ 8. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СРЕДНИХ РАДИОВОЛН

Диапазон средних длин волн (λ = 1000...100 м).Тропосфера не влияет. Волны этого диапазона характеризуются примерно одинаковыми условиями распространения, основной особенностью которых является прием днем только земной волны, а ночью - и земной, и пространственной. В дневное время радиус действия станций обычно составляет несколько сотен километров, увеличиваясь ночью до 2000...3000 км и более. Такие условия наиболее типичны для среднего участка рассматриваемой полосы частот. При приближении к диапазону КВ усиливается роль пространственных волн, при приближении к диапазону ДВ происходит постепенный переход к волноводному распространению. Наиболее применимы частоты диапазона в службе вещания, для которой Комитетом частот МККР выделена полоса    1,6 МГц...150 кГц (λ = 187...2000 м). Кроме того, эти частоты используются для целей морской связи. На морских линиях условия распространения земной волны наиболее благоприятны из-за малой утечки энергии в подстилающую среду - морскую воду, которая обладает высокой проводимостью. Дальность действия земной волны не превышает 500...700 км.

Условия распространения земной волны вдоль электрически однородной гладкой земной поверхности хорошо соответствуют теории дифракции. Однако в рассматриваемом диапазоне на поле земной волны оказывают влияние два свойства, характерные для реальной земной поверхности: электрическая неоднородность почвы вдоль трассы и по глубине почвенного покрова, а также неровности рельефа. Неоднородность электрических параметров по глубине можно учесть, если оценивать условия распространения с помощью эффективной проводимости земной поверхности σ_ЗМ.ЭФФ, которая определяется путем измерений электропроводимости почвы в пределах той ее толщи, которая активно участвует в процессе распространения волны. Согласно экспериментальным данным такой толще, соответствует участок, ограниченный глубиной проникновения волны в почву. Глубина проникновения изменяется в зависимости от проводимости почвы и длины распространяющейся волны и в данном диапазоне составляет в среднем 10...20 м. Измерения показывают, что распределение σ_ЗМ.ЭФФ  носит ярко выраженный случайный характер, даже если измерения производятся на небольших по размерам площадях. Это объясняется сложными и многообразными условиями образования почв, различием в расположении слоев осадочных пород, уровней грунтовых вод и др.

Заметное влияние на напряженность поля в диапазоне средних волн оказывает рельеф местности. Для диапазонов ДВ и СВ волн большинство видов земной поверхности, за исключением высоких горных хребтов, относится к классу шероховатых поверхностей, в пределах которых множество небольших неровностей ( h <  λ) распределены статистически равномерно. Для волн диапазона 100...2000 м такими шероховатыми поверхностями являются обычная холмистая местность (класс длинных пологих неровностей), сильно взволнованная поверхность моря (класс коротких пологих неровностей), шероховатая поверхность в виде рельефа большого города (класс мелких крутых неровностей) и др. Влияние шероховатой поверхности сводится к рассеянию энергии, в результате чего происходит ослабление плотности потока энергии в заданном направлении. Расчет среднего значения напряженности рассеянного поля в случае скользящего распространения земной волны можно выполнить статистическими методами и свести ослабление плотности потока энергии к изменению электрических параметров земной поверхности. Расчет напряженности поля в этом случае ведут с учетом, так называемых, «кажущихся» значений диэлектрической проницаемости ε_ЗМК и проводимости σ_ЗМК, которые зависят не только от электрических свойств подстилающей поверхности, но и от характера рельефа. «Кажущаяся» удельная проводимость для холмистой местности определяется из   соотношения

,

где σ_змэфф - эффективная удельная проводимость, учитывающая только электрические свойства почвы, σ_змр = 10^-5l₀³/h₀⁴ - составляющая «кажущейся» проводимости, учитывающая влияние рельефа в виде пологих холмов, для которых l₀ >> λ, h₀ / l₀ << 1,где l₀ и h₀ - средние горизонтальные и вертикальные размеры неровности. Например, при l₀ = 2,5км, h₀ = 50м σ_змр ≈20 × 10^-3 См/м. Значения «кажущихся» ε_змк и σ_змк часто определяют по результатам измерений напряженности поля, поскольку ослабление поля на трассе можно свести к влиянию соответствующих электрических параметров среды. Измерения показали, что для равнинной местности σ_змк отличается от σ_змэфф в
1,5...2 раза, а для холмистой местности это различие доходит до 5...7 раз. При расчете напряженности поля земной волны желательно пользоваться  «кажущимися» значениями параметров земной поверхности (табл.8.1).

 Таблица 8.1

Значения "кажущихся" параметров почвы

Вид земной поверхности	εЗМК	σзмк, См/м
Море	81	1...4,6
Реки, озера	80	0,001
Пастбища, небольшие холмы, жирные земли	14...20	0,01...0,03
Пастбища, холмы средней величины, леса	13	0,006
Пастбища, холмы средней величины и леса, тяжелая глинистая земля	13	0,004
Скалистая почва, крутые холмы	14	0,002
Песчаная, сухая, плоская местность	10	0,002
Города	3...5	0,0001...0,001

Значение напряженности поля земной волны зависит от растительного покрова. Распространяющаяся над лесом волна поглощается за счет токов, наводимых ею в стволах деревьев. Проводимость древесины зависит от температуры и влажности, увеличиваясь с их повышением, поэтому летом ослабление за счет деревьев больше, чем зимой. Расчеты возможных сезонных изменений уровня сигнала, связанные с сезонными изменениями поглощения в деревьях, дают удовлетворительное совпадение. Зимой напряженность поля земной волны на 20...50% выше, чем летом.

Расчет напряженности поля земной волны. В реальных условиях среднепересеченной местности и относительно однородных электрических параметров почвы вдоль трассы напряженность поля земной волны удовлетворительно оценивается дифракционными формулами, справедливыми для низкорасположенных антенн. При этом расчет поля необходимо вести с учетом «кажущихся» электрических параметров почвы ε_змк и σ_змк. В инженерной практике для определения поля земной волны широко применяются графики МККР, которые рекомендованы X Пленарной Ассамблеей МККР (Женева, 1963 г.) и представляют результат расчета напряженности поля по дифракционным формулам для разных проводимостей подстилающей поверхности.

Напряженность поля, рассчитанная по графикам МККР, соответствует наблюдаемому дневному полю на расстояниях  r ≤2000 км для частот около 150 кГц...2 МГц, когда поле пространственной волны пренебрежимо мало по сравнению с полем земной волны.

Распространение ионосферной волной. Когда вся трасса распространения оказывается в зоне полной темноты, то в точке приема кроме земной появляется пространственная волна, отраженная от ионосферы.

Для радиоволн в диа-

пазоне 100...2000 м условия отражения волн от ионосферы выполняются в течение суток, в основном, в слое Е. Однако в дневные часы ионосферная волна испытывает настолько сильное поглощение в слое D, что ее прием оказывается невозможным при обычно применяемых мощностях передатчиков. С наступлением темноты, когда слой D пропадает, напряженность поля пространственной волны резко возрастает, и на расстояниях, превышающих 100...200 км, эта волна становится доминирующей. Напряженность поля пространственной волны изменяется в зависимости от геомагнитной широты трассы, поскольку магнитное поле Земли оказывает существенное влияние на распространение радиоволн в ионосфере, особенно сильно это влияние оказывается на частотах, близких к гиромагнитной, которая в средних геомагнитных широтах равна примерно 1,4 МГц.

Случайные флуктуации напряженности поля. На расстояниях, где в течение суток доминирует поле земной волны, уровень сигнала устойчив. Эта область расстояний называется зоной уверенного приема. Далее расположена зона ближних замираний, где с наступлением темноты принимаемое поле есть результат интерференции соизмеримых по амплитуде земной и пространственной волн. Вследствие нерегулярных флуктуаций электронной плотности в ионосфере фаза пространственной волны непрерывно изменяется, поэтому в ближней зоне прием сопровождается глубокими быстрыми замираниями интерференционного происхождения. Кроме того, вследствие изменения ориентации и отношения осей эллипса поляризации принимаемого поля имеют место замирания поляризационного происхождения. Замирания в ближней зоне носят частотно-селективный характер и без принятия специальных мер прием в этой зоне неустойчив. Особенно резко селективные замирания выражены в наиболее коротковолновой части средневолнового диапазона.

За зоной ближних замираний расположена зона дальнего приема или, так называемая, зона дальних замираний. В этой зоне прием осуществляется за счет пространственных волн, n-кратно отраженных от ионосферы. Амплитуды многократно отраженных волн в два и большее число раз меньше амплитуды однократно отраженной волны, поэтому в этой зоне замирания менее глубоки, чем в зоне ближних замираний, и их селективные свойства выражены слабо. В условиях массового приема вещания общие замирания удается компенсировать автоматической регулировкой усиления приемника. Борьба с селективными замираниями значительно сложнее. Для увеличения радиуса зоны уверенного приема, т.е. увеличения напряженности поля земной волны и уменьшения напряженности поля пространственных волн применяют так называемые «антифединговые» антенны, которые имеют диаграммы направленности, «прижатые» к поверхности Земли (рис.8.2). Наилучшими, с точки зрения антифединговых свойств, являются вертикальные антенны больших размеров с относительной длиной

h / λ = 0,53. Излучение этих антенн под углами ∆ > 45...50° ничтожно мало. Такие антенны позволяют в 2...2,5 раза увеличить зону уверенного приема по сравнению с короткой антенной, имеющей h / λ =  0.25.

Перекрестная модуляция в ионосфере. В ночное время в зоне приема ионосферных волн может наблюдаться явление перекрестной модуляции. Это явление проявляется в следующем: при настройке приемника на частоту f, которая принадлежит передатчику относительно малой мощности, может прослушиваться передача мощного передатчика (P₁ > 50 кВт), при этом несущая частота мешающего передатчика f_м находится вне полосы пропускания приемника. Такое явление возможно, если поле маломощного передатчика оказывается промодулированным сигналом мощной станции. Модуляция происходит в ионосфере за счет ее нелинейных свойств, коэффициент поглощения δ_и пропорционален σ_и. Если напряженность поля мощной (мешающей) станции промодулирована низкой частотой Ω то σ_и, а следовательно, и δ_И изменяются в такт с этой частотой. Необходимо выбирать мощности передатчиков и их взаимное расположение, а также диаграммы направленности антенн с учетом эффекта перекрестной модуляции.

Расчет напряженности поля ионосферной волны. В ночное время необходимо учитывать, кроме земной волны, наличие волны, отраженной от ионосферы.

Напряженность поля ионосферной волны Е_и рекомендуют определять, используя результаты статистической обработки измерений. Напряженность поля пространственной волны на частоте f в заданный час t темного времени суток на расстояниях более 300 км для Т_н % ночей работы в течение года определяется по формуле

E_u(r,t,T_H) = P₁’+ ∆_A(h / λ,r) + F₀(r,f) + ∆_J + ∆_H(T_H) - 0,02W_c, дБ,

где Р'₁ — мощность, подводимая к передающей антенне, дБ;

∆_А(h / λ,r) - коэффициент,  учитывающий  влияние диаграммы направленности передающей антенны высотой h (определяемый графически),дБ;

F₀(r, f) - коэффициент, зависящий от длины радиолинии r и частоты f (определяемый графически),дБ;

∆_J — поправка, определяемая графически и учитывающая магнитное наклонение j в средней точке трассы (определяемая графически),дБ;

∆_н(Т_н) — коэффициент, зависящий от времени t в средней точке трассы, когда задан процент времени работы Т_н % в течение года (определяемый графически),дБ;

W_c — среднегодовое число солнечных пятен.

Зона обслуживания. Независимо от полосы частот, в которой работает вещательный передатчик, принцип определения зоны обслуживания одинаков. В зависимости от частоты изменяются вид и интенсивность помех и соответственно нормы на минимально допустимый уровень напряженности поля Е_min и защитные отношения А. Напомним, что величина Е_min лимитирует размеры зоны обслуживания, если учитывать только внешние помехи природного происхождения, а также промышленные и внутренние шумы приемника. Защитное отношение S ограничивает зону обслуживания по уровню помех, создаваемых радиостанциями. Для диапазонов ДВ и СВ расчет радиуса зоны обслуживания по заданной величине Е_min проводится по следующей схеме. В табл.8.2 приведены значения минимально допустимой напряженности поля на границе зоны обслуживания, установленные в соответствии с рекомендациями МККР.

Значения Е_minна разных частотах                                                                 Таблица 8.2

Частота, МГц	0,2	0,5	1,0	1,5
Еmin , дБ/мкВ/м.	73	66	60	57

Величина Е_min для диапазонов средних и длинных волн определяется в основном атмосферными помехами, поскольку граница зоны обычно проходит в сельской местности. Приведенные значения Е_min справедливы для полосы приема ∆f = 6 кГц и предусматривают отношение сигнал/шум = 40 дБ. В дневное время радиус зоны обслуживания r₃₀ в предположении примерно однородных электрических параметров почвы в пределах зоны определяется из условия Е_зм =  Е_min , где Е_зм - напряженность поля земной волны при эквивалентной излучаемой мощности Р_1э. Для определения r₃₀ удобно равенство записать относительно Е_зм(r₃₀), т.е. напряженности поля на границе зоны при Р_1э = 1кВт. Поскольку , то получаем Е_зм1(r₃₀) = Е_min / Р_1Э.

Величины Е_min и Р_1э задаются. Вычислив Е_ЗМ1(r₃₀) по кривым МККР, определяют радиус r₃₀. В ночное время на разных удалениях от передатчика изменяется соотношение между полем земной и пространственной волн. Ориентировочно принимают, что на расстояниях меньше 100 км преобладает поле земной волны Е_зм, если r ≥ 300 км, то преобладает поле ионосферной волны Е_и; если

r ≈100...300 км –результирующее поле .

Граница зоны обслуживания в темное время суток проходит обычно в области действия ионосферной волны, для которой характерны флуктуации часовых медианных значений поля в течение дня. Поэтому при вычислении радиуса зоны пользуются вероятностными характеристиками. Радиус зоны по ионосферной волне определяется из равенства Е_и(r₃₀,t, Т_н) = Е_min, где Е_и(r₃₀,t, Т_и) - напряженность поля ионосферной волны на расстоянии r₃₀ в заданный час t темного времени суток для Т_н % ночей работы в течение года. Величина Е_и является сложной функцией расстояния, поэтому радиус r₃₀ можно определить только после построения зависимости Е_и(r) для данного часа t, принимая в соответствии с нормами качественного вещания Т_н = 90%. Радиус r₃₀ есть то расстояние на котором Е_и = Е_min.