ЛЕКЦИЯ 10. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ РАДИОВОЛН

10.1. Распространение земной волны в диапазоне УКВ

Радиоволны метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов (диапазонов частот ОВЧ, УВЧ и СВЧ) широко применяются в наземных системах связи и вещания. Большинство таких систем работает на земной волне. Исключения составляют лишь линии связи, работающие на волнах, рассеянных в тропосфере и ионосфере. В рассматриваемых частотных диапазонах устойчивая работа на земной волне ограничена расстоянием прямой видимости. В то же время широко распространены магистральные линии протяженностью до нескольких тысяч километров, использующие дециметровые и сантиметровые волны. Эти линии представляют цепочку приемопередающих радиорелейных станций (РРС). Соседние РРС располагаются друг от друга на расстоянии, не превышающем расстояния прямой видимости между передающей и приемной антеннами в условиях средней рефракции. На каждой промежуточной РРС принимаемый сигнал усиливается и передается на следующую станцию. Участок линии между соседними станциями называется ретрансляционным интервалом. Линии, построенные по такому принципу, называются радиорелейными линиями (РРЛ) с интервалами в пределах прямой видимости. Цифровые РРЛ (ЦРРЛ) должны иметь настолько широкие полосы пропускания (до 100 МГц и более), что они могут работать, в основном, на частотах выше 10 ГГц (длина волны короче 3 см). Системы телевизионного и звукового вещания работают на волнах метрового диапазона. Для телевизионного вещания выделены также полосы в дециметровом диапазоне. Устойчивый радиус действия вещательных передатчиков в этих диапазонах ограничивается также расстоянием порядка прямой видимости. Для увеличения радиуса действия станций стараются поднимать антенну на передаче по возможности выше, как за счет естественного рельефа, так и за счет высоты башни, на которой устанавливается антенна. Примером может служить антенный комплекс Ташкентского радиотелевизионного передающего центра, высота которого достигает 375 метров.

Шероховатая поверхность. Критерий Рэлея. Земная поверхность никогда не бывает идеально гладкой. Даже равнинная местность покрыта большим числом хаотически расположенных неровностей. При интерференционной структуре поля земной волны на условия распространения оказывают влияние неровности местности, распределенные в пределах существенной зоны для отражения. При скользящем распространении необходимо учитывать неровности местности почти вдоль всей трассы. Если небольшие неровности земной поверхности в среднем распределены равномерно, то такую поверхность называют шероховатой. В зависимости от

длины рабочей волны шероховатой поверхностью могут быть взволнованная поверхность моря, равнина, покрытая травой, кустарником и др. При распространении над шероховатой поверхностью происходит рассеяние поля земной волны, что является причиной ослабления плотности потока энергии в заданном направлении. Существуют два метода учета этого ослабления.

В условиях открытых трасс при работе в диапазонах метровых, деци- метровых и сантиметровых волн наличие земли проявляется в виде отраженной волны. В этом случае ослабление поля в результате рассеяния шероховатой отражающей поверхностью учитывают с помощью эффективного коэффициента отражения R_эфф. Величина R_эфф всегда меньше зеркального коэффициента отражения R , который справедлив для гладкой отражающей поверхности. Степень неровности шероховатой поверхности оценивают с помощью критерия Рэлея. Пусть плоская волна падает под углом скольжения ∆ на плоскую поверхность с горизонтальной впадиной

глубиной ∆h (рис.10.1). Луч А'С'В',
попавший во впадину и отразив-
шийся под углом скольжения ∆, на
плоскости S отличается по фазе от
луча АСВ, отразившегося от пло-
ской поверхности на величину
∆φ = (2π / λ)2∆hsin∆. Обычно считают, что возмущающим действием неровности

Рис.10.1. К определению критерия Рэлея      можно пренебречь, если

∆φ < (π/4…π/2). Обозначая через ∆h_mах так называемую критическую высоту, которая соответствует критическим значениям ∆φ_mах, получим ∆h_max = λ / [(16…8)sin∆]. Для пологих траекторий, когда sin∆ ≈∆, и для обычно принимаемого критического значения ∆φ_mах = π/2 выражение упрощается   ∆h_mах∆ ≈λ / (8∆). Если высота неровности ∆h ≤∆ h_mах ≈λ /(8∆), то отражение можно считать зеркальным. Это условие называется критерием Рэлея, который показывает, что чем более полога траектория падающей волны, тем слабее возмущающее действие неровности. Так, на волне 10 см при ∆ = 5° критическая высота равна всего лишь 14 см, а при снижении угла до 0,5° допустимый размер неровности возрастает до 1,4 м. Критерий Рэлея носит приближенный характер, поскольку не учитывает формы неровности, поляризации поля и др. Однако измерения показывают, что качественно этот критерий правильно оценивает влияние шероховатости поверхности. Если на открытых трассах в пределах минимальной зоны для отражения высота неровностей ∆h > ∆h_mах то в интерференционных формулах используют эффективный коэффициент отражения R_эфф. Величины R_эфф для разных видов шероховатых поверхностей определяют по результатам статистической обработки экспериментальных данных.

Расчет поля на открытых и закрытых трассах при клиновидном препятствии

Аппроксимацию клином применяют для препятствий типа горных вершин, крутых холмов, одиночных препятствий в виде зданий и др. Клиновидная аппроксимация справедлива в тех случаях, когда размеры препятствия вдоль трассы значительно меньше размера существенного эллипсоида для распространения в этом направлении, а поперек - значительно больше его поперечного размера. При выполнении этих условий расчет поля ведут в предположении, что поперек трассы расположен бесконечный непрозрачный экран и условия дифракции соответствуют оптической дифракции Френеля.

Нормированный просвет u₀ от которого зависит множитель ослабления, удобно выразить через просвет Н(g_т) и относительную координату экрана k = r₁ / r

Нормированный просвет можно также связать с относительным просветом р(g_T)

-3 -2 -1  0  1   2  3

Рис. 10.2. Зависимость V(u₀)

     Зная величину u₀, по кривой рис.10.2 определяют множитель ослабления. При наличии клиновидного препятствия на трассах, где отсутствует оптическая видимость, но передатчик и приемник можно видеть с вершины препятствия, при некоторых условиях наблюдается явление, которое называется эффектом  «усиления клиновидным препятствием».

Рис.10.3. К определению эффекта усиления клиновидным препятствием

Наиболее просто этот эффект можно представить, если считать поле в точке приема как результат интерференции четырех волн. Пусть между пунктами А и В расположено клиновидное препятствие (рис.10.3). При этом участки трассы между передающим пунктом и препятствием, а также между препятствием и приемным пунктом достаточно ровные и от них интенсивно отражаются волны. Тогда согласно отражательной трактовке поле в точке В можно представить как сумму полей возбужденных прямой 1 и отраженной 2 волнами. Волна 1 возбуждает за препятствием волны 3 и 4. Волна 2 возбуждает волны 3' и 4'. На пути распространения все волны дифрагируют на крае препятствия.

Эффект усиления препятствием возможен, если потери при огибании препятствия не очень велики, что возможно при малых просветах, т.е. при малых углах возвышения ∆ и ∆'. В случае пологих траекторий отраженных волн 2, 4 и 4' приближенно можно считать, что коэффициенты отражения от земли до препятствия и после препятствия одинаковы и равны -1. Для всех волн равны также дифракционные потери и приблизительно длины путей, проходимые волнами. Из последнего следует, что в свободном пространстве поле каждой волны равно Е₀. Результирующее поле, как сумма четырех волн с учетом их фаз, равно

Е = Е₀V(u₀){ехр[ - j(2 π / λ) (ρ₁ + ρ₃)] – ехр[ - j(2 π / λ) (ρ₁ + ρ₄)] –

- ехр[ - j (2 π / λ) (ρ₂ + ρ₃)] + ехр [ - j(2 π  / λ) (ρ ₂ + ρ ₄)]}

Проведя вычисления  с учетом обозначений на рис. 10.3   получим величину результирующего поля

Е_mах = 4Е_оmахV(u₀)sin[2 πh₁h_np / (λr₁)]sin[2 π h₂h_np / (λr₂)].

Из формулы видно, что при наличии клиновидного препятствия, когда V(u₀)→-1, поле в точке приема может превосходить поле в свободном пространстве почти в 4 раза при определенных соотношениях h₁, h₂, h_пр, λ, r₁,r₂. Если длина радиолинии такова, что в отсутствие препятствия точка приема находится в области глубокой тени и дифракционное ослабление поля велико, то по сравнению с этим полем эффект «усиления препятствием» может быть весьма большим. За счет дифракции на горных хребтах клиновидной формы возможно создание линий связи большой протяженности. На таких линиях оптимальное положение корреспондирующих пунктов обычно проверяется экспериментально, поскольку расчеты не могут учесть всей сложности конкретного рельефа.

В процессе изменения метеорологических условий и изменения рефракции фазовые соотношения между интерферирующими волнами изменяются. Обычно прием в горной местности сопровождается сильными флуктуациями уровня сигнала.

Флуктуации напряженности поля земной волны на открытых и полуоткрытых трассах. На открытых и полуоткрытых трассах напряженность поля земной волны не остается постоянной во времени. В зависимости от причин, вызывающих флуктуации поля, эти флуктуации имеют разную продолжительность и в одних случаях могут быть отнесены к классу замираний, в других - к классу длительных отклонений величины поля от его средних значений. Во всех случаях флуктуации имеют случайный характер. Различают следующие основные виды замираний в зависимости от причин их возникновения.

Субрефракционные (при отрицательной рефракции) замирания характерны для сухопутных равнинных трасс, особенно в летнее время и весной, когда часто метеоусловия таковы, что имеет место субрефракция, которая  приводит  к  уменьшению  просвета  на   линии.   Если  в  условиях средней рефракции просвет относительно невелик, то при субрефракции может произойти значительное затенение трассы и ослабление поля за счет дифракционных потерь. Такого вида ослабления имеют обычно большую продолжительность от нескольких десятков минут до нескольких часов, так как обусловлены инерционными метеорологическими процессами, например приземными туманами. Глубина субрефракционных замираний может достигать 20...30 дБ и более в широком диапазоне частот.

Второй вид флуктуации, наблюдаемый на открытых трассах, имеет интерференционное происхождение. При ряде значений градиента g_т происходит противофазное сложение полей прямой и отраженной от земли волн и результирующее поле оказывается значительно ослабленным. Глубина таких замираний зависит от соизмеримости амплитуд отраженной и прямой волн. Отраженная волна наиболее интенсивна на сухопутных плоских трассах, проходящих в слабопересеченной, лишенной лесного покрова местности, а также на трассах, проходящих над большими водными поверхностями. Продолжительность замираний такого типа составляет секунды - десятки секунд при глубине 25...30 дБ. Эти замирания обладают пространственной и частотной избирательностью, поскольку небольшие изменения в частоте и длине пути приводят к заметному изменению сдвига фаз между интерферирующими волнами (в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн).

Третий вид флуктуации, также интерференционного происхождения, связан с появлением в точке приема волн, отраженных от слоистых неоднородностей типа облаков, метеорологических фронтов, инверсионных слоев и др. Волны, отраженные от таких неоднородностей, интерферируют с прямой волной и друг с другом. Малейшие изменения высоты неоднородности приводит к резким изменениям фазовых соотношений между интерферирующими волнами. В результате эти флуктуации относятся к классу быстрых замираний с частотной и пространственной избирательностью. При глубине замираний 25...30 дБ их средняя продолжительность составляет доли секунды. Чем короче волна и длиннее трасса, тем более вероятны эти замирания. Они чаще наблюдаются на волнах короче 10...15 см и в соответствии с метеоусловиями в приморских районах, а также в горной местности. На таких трассах эти замирания могут быть определяющими для устойчивости работы.

Четвертый вид нерегулярного ослабления поля связан с появлением осадков на линии. Этот вид ослабления существенен для частот выше 10ГГц. При расчете устойчивости работы линии обычно оценивают ослабление в дожде как наибольшее по сравнению с ослаблением в других видах осадков. При выпадении ливневых дождей этот вид замираний может привести к срыву связи в течение всего времени существования ливня.

Распространение земной волны и условия работы радиовещательных систем. Статистический метод расчета поля.

Спецификой условий работы вещательной сети является прием излучения одного передатчика одновременно множеством приемных пунктов, случайно распределенных на некоторой территории. В зависимости от характера рельефа условия приема в пределах этой территории могут быть различными. Кроме того, принимаемое поле подвержено быстрым и медленным флуктуациям, и его среднее значение изменяется в зависимости от климатических условий. В результате в сети вещания принято оценивать напряженность поля вероятностными характеристиками, основанными на измерениях. Необходимо отметить, что при оценке условий приема вещания учитывают только медленные флуктуации, принимая, что мгновенные значения поля подчиняются логаримически-нормальному распределению с дисперсией, зависящей от климатических условий. Быстрые замирания порядка долей секунд и секунд не оказывают влияния на качество приема телевизионного и звукового вещания из-за инерции слухового и зрительного аппаратов человека. Параметрами для статистических характеристик поля служат: диапазон частот, климатический район, средние условия рельефа, процент времени наблюдений, процент приемных пунктов, в которых может наблюдаться данная напряженность поля. Напряженность

поля определяют с помощью кривых, рекомендуемых МККР (графиков МККР). В качестве примера на   рис.10.4 приведены три кривые, справедливые для ОВЧ (40...250 МГц) в условиях среднепересеченной местности и умеренного климата. Величина напряженности поля, определяемая из этих кривых, превышается в 50% приемных пунктов в течение 50%, 10 % и 1% времени. Кривые построены для эквивалентной излучаемой мощности     1 кВт, когда высота подвеса передающей антенны h₁ = 300м, высота подвеса приемной антенны h₂ = 10м. Напряженность поля выражена в децибеллах относительно 1 мкВ/м. Кривые справедливы для вертикально- и горизонтально поляризованных волн. В указанной рекомендации имеются серии аналогичных кривых для диапазона УВЧ (450...1000 МГц). Для каждого диапазона даются поправочные коэффициенты, учитывающие степень неровности рельефа и высот подвеса передающей и приемной антенн.

Зона обслуживания вещательного передатчика. Полезной зоной вещательного передатчика или зоной обслуживания называется территория, в пределах которой прием вещания на массовую приемную аппаратуру на границе зоны осуществляется с заданным качеством в течение 90% времени в 50% приемных пунктов. По международным нормам в течение 10% времени допускается наличие заметных помех. Качество приема оценивается разными параметрами в зависимости от вида помех. Помехи разделяют на две группы: к первой группе относят природные и промышленные помехи; ко второй - помехи станций. Для качественного приема вещания с учетом только природных и промышленных помех в пределах зоны обслуживания должно выполняться условие Е_пол >> Е_полmin, где Е_пол -напряженность поля полезного сигнала; Е_полmin - минимально допустимая напряженность поля полезного сигнала при наличии только природных и промышленных помех (шума) и при заданном значении необходимого превышения U_пол / U_ш в полосе ∆f, кГц. При расчете вещательных сетей нормируют не отношение U_пол / U_ш,а значение Е_полmin для наиболее неблагоприятных условий - на границе зоны обслуживания, где поле полезного сигнала минимально.

Различают два случая. Если граница зоны проходит в сельской местности, то в диапазонах метровых и дециметровых волн значение Е_полmin определяется внутренними шумами приемника и космическими шумами. В этих условиях принято для телевидения Е_полmin = 300...700 мкВ/м в диапазоне метровых волн. Норма увеличивается с повышением частоты канала. Для звукового вещания принято Е_полmin = 200 мкВ/м. Второй случай относится к приему в городах, где из-за большого уровня промышленных помех аналогичные значения оцениваются 5000 мкВ/м для телевидения и 1000...3000 мкВ/м для звукового вещания. Для качественного приема вещания при наличии помех станций должно выполняться условие Е_пол ≥ АЕ_пом, где А - коэффициент необходимого защитного отношения на выходе приемника; Е_пом - суммарная напряженность поля мешающих станций. Обычно на границе полезной зоны произведение АЕ_пом больше значения Е_полmin и основной задачей проектирования вещательной сети является такое распределение вещательных передатчиков по обслуживаемой территории, при котором на границах полезных зон отдельных передатчиков величина АЕ_пом была бы равна Е_полmin.

Влияние местных предметов на распределение поля вблизи передающей антенны. Условие приема на метровых и более коротких волнах зависит от расположения приемной антенны относительно окружающих ее предметов и местных неровностей рельефа. Близко расположенные здания, мачты, растительность, склоны оврагов, небольшие возвышенности могут в зависимости от их расположения оказаться затеняющими препятствиями или источниками местных отраженных волн. Затеняющее действие отдельного препятствия приводит к тому, что поле за препятствием появляется в результате двух процессов: дифракции и проникновения сквозь препятствие. Дифракция в рассматриваемых диапазонах волн протекает с большими потерями. Проникновение сквозь препятствия типа стен зданий, группы деревьев и других сопровождается также большими потерями за счет поглощения. «Непрозрачными» препятствиями считают возвышенности земной поверхности и железобетонные строения. За такими препятствиями поле появляется только в результате дифракции. Внутрь квартир в железобетонных зданиях электромагнитные волны проникают через окна. К «полупрозрачным» препятствиям относят кирпичные и деревянные строения, растительность. При распространении в лесу с подлеском погонное ослабление оценивается единицами и десятками дБ/км, увеличиваясь с частотой и изменяясь в зависимости от густоты лиственного покрова и влажности. Действие окружающих предметов, как источников отраженных волн, может проявляться в виде двух явлений: неравномерного распределения амплитуды поля в пространстве из-за интерференции отраженных волн или запаздывающих сигналов, если предмет достаточно удален от приемной антенны.

Распространение радиоволн в городе. Условия приема сигналов в диапазоне УКВ существенно зависят от расположения приемной антенны относительно окружающих ее предметов. В городских условиях такими предметами являются здания, деревья, заводские трубы, мачты и т.д. Близко расположенные здания могут, в зависимости от их расположения, оказаться затеняющими препятствиями или источниками местных отраженных волн. Затеняющее действие отдельного препятствия приводит к тому что поле за препятствием появляется в результате двух процессов: дифракции и проникновения через препятствие. Дифракция в рассматриваемом диапазоне волн протекает с большими потерями. Проникновение сквозь препятствия типа стен зданий также сопровождается большими потерями за счет поглощения. Измерения показывают, что напряженность поля за отдельно стоящим кирпичным зданием на 20...30дБ ниже, чем перед ним, а за железобетонным строением уровень сигнала падает на 30...40 дБ. В целом внутри городской застройки имеются многочисленные теневые зоны, где сигнал значительно ослаблен. Действие окружающих зданий, как источников отраженных волн, проявляется, как в виде неравномерного распределения амплитуды поля в пространстве из-за интерференции многочисленных отраженных волн, так и в своеобразном подсвечивании теневых зон. В случае вертикальной поляризации первичного поля отражения наиболее интенсивны от предметов, протяженных по вертикали (стены зданий, деревья). Большое влияние местных предметов на условия приема вертикально-поляризованного поля является одной из причин преимущественного применения горизонтальной поляризации в системах телевизионного вещания.

Сложность условий распространения УКВ в городе определяет статистический характер, как теоретических, так и экспериментальных исследований. По условиям приема сигнала можно выделить три наиболее типичных ситуации: передающая и приемная антенны находятся над уровнем городской застройки и между ними имеется прямая видимость; связь между подвижным объектом и базовой станцией; связь между двумя подвижными объектами. В первом случае, характерном для приема сигналов телевизионного вещания, расчет напряженности поля можно вести по формуле Введенского, умножая результат расчета на поправочный коэффициент (обычно 0,4...0,6). Во втором и третьем случаях между пунктами передачи и приема, как правило, нет прямой видимости и основной вклад в формирование многолучевого поля вносят отражения от зданий в окрестности подвижного пункта.

Рассмотрим закономерности изменения напряженности поля в точке приема в городских условиях в зависимости от расстояния, частоты волны и высот установки антенн. На  рис.10.5 приведены зависимости среднего (медианного) значения мощности сигнала Р_с от расстояния r при различных высотах подвеса антенны базовой станции h₁, измеренные на частоте 922 МГц. Высота подвеса антенны на подвижном объекте  h₂ = 3 м. Штриховой линией показана зависимость Р_с от расстояния для условий свободного пространства. Уровень 0 дБ соответствует полю в свободном пространстве на расстоянии 1 км от базовой станции. Анализ приведенных зависимостей показывает, что при увеличении расстояния до 15 км мощность сигнала убывает как r^-3 . Последующее увеличение г приводит к еще более быстрому уменьшению уровня сигнала. Ослабление сигнала в городе возрастает с увеличением его частоты. Эту зависимость можно представить в виде P_c = Af^-n, где А - коэффициент пропорциональности. С увеличением частоты от 100 до 2000 МГц значение коэффициента п изменяется от 0,2 до 1. При r = 1...10 км зависимость уровня поля от частоты слабая, но при дальнейшем увеличении расстояния значение коэффициента п начинает зависеть от него и растет значительно быстрее. Изменение медианного значения множителя ослабления от частоты при  h₁=200 м и h₂=3 м для расстояний 1, 5, 20 и 40 км, показано на рис. 10.6.

Частота f, МГц

Рис.10.6. Зависимость медианного значения затухания в городе от частоты и расстояния

Зависимость среднего уровня поля от высоты расположения антенны базовой станции можно проследить по рис.10.5. Высота подвеса антенны сильно не влияет на скорость уменьшения уровня сигнала с расстоянием. Однако подъем антенны базовой станции приводит к увеличению абсолютного значения поля примерно пропорционально квадрату высоты (6дБ/октаву). На поле в точке приема влияют не только рассмотренные факторы, но и многие другие. В частности, установлено, что уровень сигнала существенно зависит от расположения улиц в городе, которые оказывают канализирующее действие на распространяющиеся волны. Вдоль радиально расположенных улиц уровень сигнала на 10...20 дБ выше, чем в перпендикулярных направлениях.

За счет переотражения волн от стен зданий и подстилающей поверхности в городе наблюдается явление деполяризации - появление ортогональной (перпендикулярной) составляющей напряженности поля в которую переходит часть энергии волны. Коэффициент деполяризации представляет собой разницу в дБ между составляющей напряженности поля основной поляризации и ортогональной составляющей.

Установлено, что в г. Ташкенте значение коэффициентов деполяризации на радиальных (по отношению к передающей антенне) улицах в среднем на 2...4 дБ больше, чем на поперечных. Значения коэффициентов деполяризации в районах с большой плотностью застройки ниже, чем в районах с малой плотностью застройки. Наблюдается увеличение значений коэффициентов деполяризации при увеличении высоты подвеса приемной антенны. Значения горизонтальной и вертикальной составляющих напряженности поля в городе практически не коррелированны, что позволяет рекомендовать для приема и передачи кроссполяризованные антенны (антенны с ортогональными поляризациями). Структура поля носит интерференционный характер. Архитектура города сильно влияет на величину квазипериода (усредненного расстояния между ближайшими минимумами) интерференционной картины напряженности поля. Так, в г. Ташкенте в районах с малой плотностью застройки величина квазипе-риода в среднем составляет 0,62λ, а для районов с большой плотностью застройки - 0,76λ. На поперечных улицах величина квазипериода в среднем составляет 0,81λ, а на радиальных улицах - 0,5λ.

10.2. Дальнее тропосферное распространение (ДТР)

Механизм ДТР есть результат рассеяния радиоволн на слабых неод-нородностях диэлектрической проницаемости тропосферы. Свойства механизма таковы, что ДТР используют только для систем радиосвязи. Тропосферные линии строятся по релейному принципу, но, в отличие от РРЛ с интервалами в пределах прямой видимости, приемные пункты на тропосферных радиорелейных линиях (ТРРЛ) всегда располагаются в зоне глубокой тени. Протяженность интервалов между соседними РРС составляют в разных случаях 150...1000 км. К настоящему времени сеть ТРРЛ во всем мире имеет протяженность около 100000 км. Основное применение ТРРЛ находят в труднодоступных пустынных, северных и горных районах, где их строительство и эксплуатация значительно выгоднее, чем обычных РРЛ с интервалами в пределах прямой видимости.

На тропосферных линиях прием сопровождается глубокими общими и селективными замираниями. Последние являются причиной искажения сигналов и ограничения неискаженной полосы передачи информации. Линии ТРРЛ используются, в основном, для передачи телефонии и телеграфии. В результате значительного ослабления сигнала в процессе рассеяния «вперед» и наличия глубоких замираний работа ТРРЛ возможна только при высоких энергетических показателях оборудования на передаче и приеме. На этих линиях применяют передатчики мощностью от нескольких сотен Ватт до 50 кВт, приемники с малошумящими параметрическими усилителями, антенны с размерами до 40 х 40м, имеющими коэффициент усиления 50...55 дБ, системы сдвоенного и счетверенного разнесенного приема по пространству и частоте и др.

Особенностью линий ДТР
является быстрое убывание уровня
сигнала с увеличением длины ра-
диолинии, что объясняется двумя
причинами. Наибольшая интенсив-
ность рассеивающих неоднородно-
стей наблюдается в нижних толщах
тропосферы, поэтому на линиях
ДТР независимо от длины интерва-
ла излучение и прием ведут при-
мерно под нулевым углом к гори-
зонту. Рассмотрим две радиолинии

            разной протяженности:АВ₁ и АВ₂

Рис. 10.7. Угол и объем рассеяния при (рис.10.7) на которых ДН антенн        ДТР на  трассах разной протяженности             прижаты к поверхности Земли.

Из рисунка видно, что увеличение длины радиолинии сопровождается увеличением угла рассеяния θ_рас и смещением эффективного объема рассеяния V_pac вверх, где интенсивность неоднородностей ослаблена. Обе причины способствуют быстрому убыванию поля с расстоянием.

Чтобы не усложнять требований к энергетике, рекомендуют выбирать (если это возможно) протяженность интервалов не более 300...400 км. В результате значительного ослабления сигнала в процессе рассеяния и наличия глубоких замираний работа ТРРЛ возможна только при высоких энергетических показателях оборудования на передаче и приеме.

Энергетический расчет линии ДТР. Количественная оценка свойств поля при ДТР базируется на результатах обработки экспериментальных данных.

Основываясь на уравнении радиосвязи в свободном пространстве и учитывая особенности линий ДТР, статистическое распределение мощности сигнала на входе приемника можно записать в виде

P₂(T)  =  P₁ + 20lg(λ / 4πr) + G₁ + G₂ + η₁ + η₂ + ∆G +             +V_MM + ∆V(T)

множителя ослабления, дБ; ∆V(T) -отклонение мгновенного значения множителя ослабления от V_MM, дБ. Первые шесть слагаемых в формуле полностью соответствуют уравнению радиосвязи, остальные три слагаемых учитывают особенности линий ДТР.

где Р₁ - мощность передатчика, дБВт; r -протяженность интервала ТРРЛ; λ - длина волны; G₁ и G₂ - значения коэффициентов усиления передающей и приемной антенн, дБ; η₁ и η₂ - коэффициенты полезного действия передающего и приемного фидеров, дБ; ∆G - величина «потери усиления» передающей и приемной антенн, дБ; V_MM - долгосрочное медианное значение

Потери усиления антенн ∆G проявляются в том, что на линиях ДТР использование антенн с большими коэффициентами усиления (КУ) G не дает того выигрыша в принимаемой мощности Р₂ который следует из уравнения радиосвязи. Чем выше значения коэффициентов усиления, тем больше отстает прирост мощности. Объясняется это явление двояко. Повышение КУ антенны осуществляют увеличением ее размеров, в результате чего в пределах раскрыва антенны все больше проявляется некогерентностъ структуры принимаемого поля, т.е. нарушается синфазность возбуждения раскрыва приемной антенны волнами, приходящими с направления максимума ее ДН, что в свою очередь, приводит к уменьшению ее КУ. Второе объяснение сводится к тому, что сужение ДН антенн приводит к сокращению объема рассеяния, т.е. к уменьшению уровня принимаемого поля. Потери усиления ∆G определяются при измерениях как суммарная величина для передающей и приемной антенн. На рис.10.8 приведена зависимость ∆G от суммарного коэффициента усиления G₁ + G₂.

Месячное медианное значение множителя ослабления (V_MM) учитывает среднее (медианное) ослабление поля при рассеянии радиоволн на неоднородностях тропосферы дополнительно к обычному ослаблению за счет сферичности волны. Измерения показывают, что V_MM зависит от протяженности интервала ТРРЛ, частоты, сезона, климатических условий. На рис.10.9 приведены кривые зависимости V_MM от расстояния для диапазона частот 0,1...4 ГГц, справедливые для зимних месяцев в умеренном климате. Из рисунка видно, что дополнительное к свободному пространству ocлабление сигнала на линиях ДТР составляет 70...100 дБ, что подтверждает сделанное ранее предположение о резком убывании поля с увеличением расстояния. Зависимость среднего уровня поля от частоты волны выражена сравнительно слабо.

Статистическое распределение мгновенных значений множителя ослабления ∆V(Т), вычисленных относительно среднего уровня V_мм учитывает быстрые и медленные замирания, возникающие на линиях ДТР вследствие флуктуирующей многолучевости. На рис.10.10 приведено интегральное распределение ∆V(Т) для сдвоенного (n = 2) и счетверенного      (n = 4) приемов. Кривые справедливы для системы автовыбора большего из сигналов. Параметром для каждой кривой является значение стандартного отклонения σ_м, характеризующего распределение медленных замираний. Значение Т(∆V) определяет процент времени, в течение которого глубина замираний равна или меньше величины ∆V, указанной на оси ординат. Из рис.10.10 видно, что чем меньший процент времени срыва связи стремятся получить, тем больший энергетический запас мы должны обеспечить. Сравнение кривых для сдвоенного и счетверенного приемов показывает, что при использовании счетверенного приема необходим меньший энергетический запас. Это говорит об эффективности данного способа увеличения устойчивости связи.

Принимают, что для удовлетворительной развязки флуктуации сигнала в каналах разнесения в среднем достаточно иметь относительный частотный разнос ∆f / f = (2...5) × 10^-3. Разнесение антенн в направлении поперек трассы должно составлять не менее (100...150)λ, а при разнесении по высоте - не менее (30...50)λ. На ТРРЛ чаще всего используется счетверенный прием с разнесением двух приемных антенн по пространству и двух передатчиков по частоте.

10.3. Механизм ионосферного рассеяния

Механизм ионосферного рассеяния (ИР) радиоволн аналогичен по своей физической сущности механизму ДТР. По современным представлениям ИР обусловлено некогерентным рассеянием на локальных слабых неоднородностях диэлектрической проницаемости ионосферы, а также когерентным рассеянием в пределах ионизированного слоя с плавным изменением ε_и(h). В ионосфере интенсивное рассеяние наблюдается в ограниченной области на высотах слоя D около 75...90 км. На этих высотах существуют слабые рассеивающие неоднородности двух типов: турбулентные и многочисленные перекрывающиеся во времени ионизированные следы метеоров с низкой электронной плотностью, а также метеорные следы искаженной формы. Метеорный компонент является значительным, а в ночное время - основным в принимаемом непрерывном флуктуирующем поле. Механизм ИР можно использовать только на метровых волнах в диапазоне 5...10 м (60...30 МГц). Волны такой длины могут не только рассеиваться, но и отражаться от областей ионосферы с повышенной электронной плотностью, а именно от ионизированных метеорных следов с высокой электронной плотностью, от спорадического слоя Е_S и от регулярного слоя F2. Поэтому всегда на фоне слабого непрерывного флуктуирующего сигнала появляются единичные всплески высокой интенсивности, которые являются источниками искажений, сужая неискаженную полосу передачи до единиц килогерц.

Механизм ИР можно использовать без ретрансляции на трассах протяженностью от 1000 до примерно 2300 км. Большие потери в тракте распространения предъявляют высокие требования к энергетическим параметрам оборудования. На этих линиях используют передатчики мощностью 30...50 кВт, антенны с коэффициентами усиления 20...30 дБ и с управляемой диаграммой на приеме, сдвоенный, а иногда и счетверенный разнесенный прием и др. Пропускная способность линий ИР ограничена искажениями в тракте распространения несколькими телеграфными каналами. Одноканальная телефонная связь возможна с относительно низким качеством. Дорогостоящее сложное оборудование линий ИР и в то же время низкая пропускная способность ограничивает их применение, в основном, полярными широтами на трассах 1000...2000 км, где наземная связь за счет других механизмов или неустойчива (распространение за счет отражения от ионосферы), или организационно трудно выполнима (РРЛ с интервалами в пределах прямой видимости или ТРРЛ с интервалами 300...600 км).

Средние уровни поля при ионосферном распространении. Измерения показали, что на линиях ИР средний уровень поля зависит от длины трассы, ее географического положения, рабочей частоты, ширины и ориентации диаграмм направленности антенн. Кроме того, средний уровень претерпевает изменения во времени по часам суток, по сезонам года, по циклу солнечной активности. Теория рассеяния в ионосфере показывает, что на трассе протяженностью r при угле рассеяния θ_рас и на рабочей частоте f принимаемая мощность Р₂~1 / {r²[sin(θ_рас / 2)]ⁿ f^m}, где установленные из опыта значения n ≈ 6,5 и m ≈7,8, т.е. при ионосферном рассеянии поле быстро падает при увеличении угла θ_рас и частоты f. Зависимость Р₂(θ_рас) ограничивает диапазон расстояний, в пределах которых возможно использовать механизм ИР. Поскольку интенсивное рассеяние в ионосфере сосредоточено в толще высот 75...90 км, то независимо от длины трассы область пересечения диаграмм направленности передающей и приемной антенн (рассеивающий объем) должна располагаться в пределах этих высот. Для выполнения этого условия необходимо согласовывать углы возвышения диаграмм направленности антенн с длиной радиолинии. В частности, с укорочением трассы угол ∆ увеличивают, что приводит к увеличению

θ_рас и соответственно потерь. На линиях протяженностью меньше 1000 км, где θ_рас > 22°, потери настолько велики, что механизм ИР использовать нельзя. В пределах расстояний 1000...1600 км потери минимальны и не увеличиваются при удлинении линии, поскольку убывание по закону 1/r² компенсируется увеличением интенсивности рассеяния за счет уменьшения θ_рас На линиях протяженностью больше 1600 км такой компенсации не происходит и потери увеличиваются. Предельная длина радиолинии около 2300 км ограничивается кривизной земной поверхности при высоте  h_рас ≈ 85 км. Резкая частотная зависимость потерь передачи связана с тем, что интенсивность неоднородностей диэлектрической проницаемости ионосферы ∆ε_и = 80,8∆N_e / f² резко уменьшается с повышением частоты. При высокоэффективном передающем и приемном оборудовании на линиях ИР можно работать на частотах не выше 60 МГц. Частоты ниже 30 МГц также не применяются из-за наличия сигналов, нормально отраженных от ионосферных слоев и обуславливающих большие искажения.

Измерения показывают, что оптимальные условия приема существенно зависят от ширины и ориентации диаграмм направленности антенн. Рекомендуют антенны с шириной лепестка около 10°. Сужение диаграмм направленности приводит к ослаблению метеорной составляющей поля, поскольку эта составляющая распределена в относительно широком угловом секторе пространства. В вертикальной плоскости основные лепестки диаграмм направленности на передаче и приеме должны быть ориентированы так, чтобы их средние линии пересекались на высоте h_рас ≈ 85 км. В горизонтальной плоскости желательно управлять диаграммой направленности и смещать ее в ночное время на 6...8° от дуги большого круга трассы в область максимального рассеяния метеорными следами.

Временные изменения среднего уровня сигнала следующие. Суточные вариации достигают 5...10 дБ с максимумом в дневные часы, когда наиболее интенсивны турбулентные неоднородности. По сезонам в умеренных широтах минимальный сигнал характерен для весенне-осеннего периода. Амплитуда сезонного хода достигает 8...16 дБ. В течение цикла солнечной активности средний уровень сигнала понижается примерно на 4...5 дБ с уменьшением активности Солнца.

Замирания и разнесенный прием. Прием сигналов на линиях ИР сопровождается быстрыми замираниями. Распределение мгновенных значений уровня сигнала осложняется наличием вспышек за счет отражений, главным образом, от единичных интенсивных метеорных следов. Как и на других линиях, устойчивость работы при ИР зависит от флуктуаций, наблюдаемых на низких уровнях сигнала. Сигналы с низким уровнем обусловлены только непрерывным рассеянным компонентом поля. Поэтому распределение мгновенных значений амплитуд определяют на уровнях, которые примерно на 15 дБ ниже медианных, т.е. без учета метеорных вспышек. Это распределение аппроксимируется законом Рэлея, что и учитывают при расчете устойчивости. Скорость замираний, определяемая числом пересечений огибающей заданного уровня, оказывается равной 15...20 в минуту со средней длительностью около 0,06 с на уровне — 20 дБ относительно медианы. Устойчивый прием на линиях ИР возможен только с применением разнесенного приема. Наиболее эффективным оказывается пространственное разнесение антенн на (7...10) λ, в направлении поперек трассы. При частотном разнесении необходимо в каналах разнесения использовать частоты, отличающиеся не менее чем на 6 кГц.

Искажения сигналов. Многолучевая флуктуирующая структура принимаемого сигнала является источником искажений передаваемой информации. Для оценки искажений импульсных сигналов необходимо знать время запаздывания сигналов ∆t_mах. На линиях ИР различают запаздывания, свойственные, во-первых, основному механизму рассеяния, за счет конечных размеров рассеивающего объема и, во-вторых, сопутствующих механизмов, т.е. отражений от метеорных следов с повышенной электронной плотностью, а также от слоя Е_S и др. Установлено, что в соответствии с размерами рассеивающего объема первый вид запаздывания составляет всего лишь 20...40 мкс и ограничение длительности импульсов на линиях ИР определяется запаздывающими метеорными сигналами, для которых ∆f_mах ≤1…2 мс. Поскольку длительность импульса должна быть в несколько раз больше ∆t_mах, то на линиях ИР она ограничивается единицами миллисекунд. Неискаженная полоса передачи аналоговой информации ∆f_mах << 1 / ∆t_max составляет единицы килогерц. Измерения показали, что в полосе 2 кГц неравномерность амплитудно-частотной характеристики не превышает 6 дБ в 95% времени на линии протяженностью 1500 км. Дополнительные ограничения качества телефонных каналов создают так называемые «доплеровские свисты». Прием сигналов, отраженных от головной части формирующегося метеорного следа или рассеянных от быстро удлиняющихся следов, происходит с доплеровским сдвигом частоты ∆f_д = f_д - f, где f_д - частота Доплера, которая зависит от скорости и направления движения метеорного следа; f - излученная частота. Измерения показывают, что примерно в 90% случаев f_д > f, что соответствует приближению метеорного следа к точке приема. Максимальные значения ∆f_д никогда не превышают 6 кГц, а с вероятностью 95% - 2,5...3 кГц. Изменения скорости и направления движения метеорного следа приводят к изменению во времени ∆f_д, что проявляется в телефонном канале в виде свистов. При правильном выборе оборудования устойчивая работа на линиях ИР может быть обеспечена более чем в 99% времени в течение года.

10.4. Распространение волн за счет отражения от ионизированных метеорных следов

Системы связи, работающие за счет приема сигналов, отраженных от ионизированных следов метеоров, называются метеорными радиолиниями. Для работы радиолиний существенны метеоры с массой m ≥ 10^-8г, количество которых за сутки ориентировочно составляет 10¹¹ . Минимальное число метеоров наблюдается в 18ч. местного времени, а максимальное - в 6 ч. утра. На линиях метеорной связи информация передается только в периоды «вспышек», которые появляются на фоне слабого флуктуирующего сигнала, рассеянного в ионосфере на слабых неоднородностях. «Вспышки» появляются в результате отражения сигналов от ионизированных следов метеоров с повышенной электронной плотностью. Для появления «вспышки» в заданном пункте приема необходимо выполнение двух условий: метеорный след должен образоваться в области пересечения диаграмм направленности передающей и приемной антенн; интенсивная «вспышка» появляется только в тех случаях, когда ориентация следа такова, что выполняется условие зеркального отражения для падающей и отраженной волн, т.е. φ_пад = φ_отр. Метеорный след после возникновения быстро изменяет свои свойства. Из-за диффузии уменьшается его электронная плотность, под влиянием ветра изменяется форма, по мере перемещения изменяется ориентировка в пространстве. В результате амплитуда сигнала, отраженного от такого следа, изменяется во времени по сложному случайному закону. Различают два характерных закона изменения амплитуд в зависимости от электронной плотности следа без учета его деформации. Первый закон соответствует случаю, когда начальная линейная электронная плотность следа   N_е < 10¹⁴ эл/м³ и след называется «недоуплотненным». Через такой след волны метрового диапазона, используемые на метеорных линиях, проходят, рассеиваясь в пределах всей толщи следа с максимумом в зеркальном направлении. В течение долей секунды движущийся след занимает область, совпадающую с первой зоной Френеля отраженной волны. При этом амплитуда сигнала возрастает. Достигнув максимума, амплитуда начинает быстро спадать по экспоненциальному закону из-за перемещения следа из оптимальной зоны и уменьшения его электронной плотности в результате диффузии. Второй закон соответствует зеркальному отражению от «переуплотненного» следа, когда N_е > 10¹⁴ эл/м³ и след для метровых волн представляет  отражатель цилиндрической формы, внутрь которого волна не проникает. В этом случае амплитуда отраженного сигнала остается на высоком уровне, пока электронная плотность следа превышает критическое значение по условиям отражения. На метеорных линиях информация передается прерывисто только в те промежутки времени, когда за счет «вспышки» отношение сигнал-шум на входе приемника превышает некоторый пороговый уровень. Для оценки условий работы таких линий необходимо иметь сведения о числе и продолжительности «вспышек», превышающих заданный пороговый уровень. С точки зрения условий распространения оба параметра «вспышки» являются функциями рабочей частоты и ориентировании диаграмм направленности антенн на передаче и приеме.

Расчеты и измерения показывают, что с понижением рабочей частоты увеличиваются число и продолжительность «вспышек», поскольку понижается уровень электронной плотности, необходимый для интенсивного рассеяния и отражения, т.е. все большее число следов участвует в работе линии. В соответствии со степенью ионизации метеорных следов верхняя граница рабочего диапазона метеорных линий ограничивается частотами около 60...50 МГц, (λ = 5...6 м), нижняя - с частотой 30 МГц (λ = 10 м). На более низких частотах чрезмерно увеличиваются замирания и появляются сигналы за счет других механизмов распространения, что ведет к недопустимо большим искажениям передаваемой информации.

Метеоры прилетают преимущественно с направления, соответствующего апексу Земли (точка небесной сферы, по направлению к которой движется Земля при обращении вокруг Солнца). На трассах, ориентированных с востока на запад, наиболее активной с 24 до 12 час. оказывается область, расположенная к северу от трассы, с 12 до 24 час. - к югу, на трассах, ориентированных с севера на юг, активная область ориентирована с 18 до 06 час. к западу от трассы, с 06 до 18 час. — к востоку.

Коэффициент заполнения. Для оценки пропускной способности метеорных линий, где передача информации ведется прерывисто, используют коэффициент заполнения (использования) k_мл, который оценивается как отношение суммарного времени, в течение которого амплитуда принимаемого сигнала превосходит пороговый уровень системы (порог обнаружения), к общему времени работы. Понятие порога обнаружения U_пор связано с принципом действия метеорных линий, где передача информации ведется только в течение интервалов времени, когда за счет «вспышки» отношение сигнал-шум достигает необходимого значения. При очень низком пороге почти все наблюдаемые сигналы сформированы «недоуплотненными» следами, при очень высоком — «переуплотненными».

На заданной частоте максимальное напряжение на входе приемника U_пор пропорционально линейной электронной плотности следа, которая, в свою очередь, пропорциональна массе метеора. Время жизни «вспышек» составляет 0,2...0,4 с и изменяется в течение суток, уменьшаясь ночью, когда время жизни метеоров оказывается меньше, чем днем. Коэффициент использования на метеорных линиях обычно составляет единицы процентов, не превышая 10%. Тракт распространения на метеорных линиях по своей природе прерывист, поскольку полезные метеорные следы появляются прерывисто во времени с интервалами более 10 с. Это обуславливает ряд особенностей построения режима работы таких линий.

К первой особенности следует отнести необходимость прерывистого включения и выключения передаваемой информации с учетом появления и пропадания полезных метеорных следов. В простейшем варианте это осуществляется так. На обоих концах линии имеются накопители передаваемой и принятой информации типа магнитных лент, а также автоматические устройства для включения и выключения этих накопителей. Передатчики на обоих концах линии непрерывно излучают несущие на частотах, разнесенных примерно на 1 кГц. При появлении полезного метеорного следа, когда на обоих концах линии уровень несущей, на входах приемников достигает порогового уровня, автоматические устройства открывают цепи передачи и информация с накопителя поступает на модулятор, начинается передача информации с большой скоростью. На приемном конце после демодуляции сигнал поступает на накопитель, откуда с замедленной скоростью подается на оконечную приемную аппаратуру. Ко второй особенности режима работы метеорных линий следует отнести работу с большими мгновенными скоростями передачи, что необходимо для обеспечения удовлетворительной пропускной способности линий. Пропускная способность оценивается средней скоростью передачи информации, которая равна произведению мгновенной скорости на коэффициент использования. При k_мл ≈ 2...10%, характерных для метеорных линий, скорость 40 бит/с может быть обеспечена при мгновенной скорости 2000...400 бит/с.

На метеорных линиях применяют передатчики мощностью 0,5...5 кВт. Антенные устройства имеют два варианта исполнения. Наиболее простой, но не наиболее эффективный вариант - использование антенн с широкими диаграммами направленности (50...60°), перекрывающими основную часть активной области метеорных следов. Наиболее эффективный вариант - использование антенн с узкой диаграммой направленности (8...10°), способной следить за перемещением в течение суток активной области отражения. Многолучевая структура принимаемого поля ограничивает неискаженную полосу передачи до 15...20 кГц. Многолучевое распространение обусловлено одновременным существованием нескольких следов в пределах активной области отражения, разрывом следа на части и др. Максимальная дальность метеорных линий ограничивается высотой образования ионизированных следов (90...100 км) и достигает 2000...2200 км. На линиях аналогичной протяженности можно передавать информацию на коротких волнах за счет отражения от ионосферы или на УКВ за счет ИР. В ряде случаев использование механизма отражения от ионизированных следов метеоров имеет преимущества главным образом за счет значительно более низкого энергетического потенциала линии-  меньших мощностей передатчика и простоты антенных устройств.