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 волнывдоль 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 σзмэфф - эффективная удельная проводимость, учитывающая только электрические свойства почвы, σзмр = 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 σзмр ≈20 × 10-3 См/м. Значения «кажущихся» εзмк и σзмк часто определяют по результатам измере­- ний напряженности поля, поскольку ослабление поля на трассе можно свести к влиянию соответствующих электрических параметров среды. Из­- мерения показали, что для равнинной местности σзмк отличается от σзмэфф 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

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 fвзаданный 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

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.