Среды распространения сигнала
Для систем авиационной электросвязи средами распространения сигнала в проводных линиях являются (воздушная линия, кабель, волновод, оптоволокно), а в радиолиниях – атмосфера и космическое пространство.
В воздушных линиях средой распространения сигнала являются один или два проводника, подвешенные на столбах. Диапазон рабочих частот сигналов воздушных линий равен 0…105Гц.
В кабельных линиях средой распространения сигнала являются радиокабели. Радиокабели подразделяются на симметричные и коаксиальные.
Симметричный радиокабель представляет собой два параллельно расположенных изолированных проводника, помещенных в диэлектрическую среду. Диапазон рабочих частот сигналов симметричных кабельных линий равен 0…106Гц.
Коаксиальный радиокабель представляет собой два концентрически расположенных изолированных проводника, помещенных в диэлектрическую среду. Диапазон рабочих частот сигналов коаксиальных кабельных линий равен 0…108Гц.
В волноводных линиях средой распространения сигнала является пространство, ограниченное стенками волновода. По волноводу распространяется электромагнитная волна. Диапазон рабочих частот электромагнитных волн в волноводных линиях равен (3…10)1010Гц.
В оптоволоконных линиях средой распространения сигнала является опти́ческое волокно́, представляющее собой нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса световых волн внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Диапазон рабочих частот световых волн в оптоволоконных линиях равен 1014 ....1015Гц.
В радиолинияхпередача информации осуществляется посредством радиоволню
Классификация диапазонов радиоволн и радиочастот приведена в Таблице 1.1. Длина радиоволны λ и частота f связаны соотношением λf= 3×108 м/с. Тогда : λ[м]= 300/ f[МГц].
Условно принято считать, что космическое пространство начинаетсяза пределами двух-трех земных радиусовRз= 6370 км, где плотность электронов составляет 2…20 эл/см3, а ниже располагается атмосфера.
Атмосфера подразделяется на три основные области:тропосфера, стратосфера и ионосфера.
Тропосфера (нижняя атмосфера) располагается от поверхности Земли и до высот 15…18 км и характеризуется наличием тропосферных неоднородностей: паров воды, облаков. Тропосферные неоднородности способны отражать падающие на них радиоволны.
Стратосфера простирается примерно до 60…80 км.
Ионосфера начинается с высот 60…80 км и простирается до высоты 1500 км и имеет слоистый характер неоднородностей, определяемый размещением газов в атмосфере: в нижней части ионосферы располагаются тяжелые газы, а выше – более легкие газы.
Падающее на ионосферу излучение Солнца вызывает ионизацию газа. Поскольку плотность газа на больших высотах мала, то вероятность рекомбинации невелика. По этой причине значительная часть газа остается ионизированной, т. е. представляет собой плазму. Ионизированный газ обладает электропроводностью. Концентрация свободных электронов определяется интенсивностью ионизирующего излучения Солнца и зависит от высоты, времени суток и сезона года. На очень больших высотах плотность газа мала, соответственно уменьшается и количество ионов, а в итоге и их влияние на прохождение радиоволн. По этой причине существенное влияние на распространение радиоволн оказывает только часть ионосферы до высот около 500 км. Плотность свободных электронов в ионосфере составляет 103…106 эл/см3.
Полная картина физических процессов при прохождении волн через ионосферу очень сложна. Одна из главных причин этой сложности состоит в том, что фактически ионосфера не представляет собой один слой, а состоит из ряда слоев, обладающих неодинаковыми свойствами.
На относительно небольших высотах 60...80 км располагается слой, обозначаемый D, в котором концентрация свободных электронов невелика. Выше на высотах 100…130 км располагается слойЕ, далее на высотах 200…230 км располагается слойF1 и на высотах 250…500 км – слойF2, для которого характерна наибольшая концентрация электронов. Состояние этих слоев сильно зависят от времени года и суток, а также от текущего состояния солнечной активности, которая изменяется с периодом 11 лет. Например, слоиDиF1 существуют только в дневное время, а электронная концентрация слоевЕиF2 в ночное время уменьшается.
Волны разной длины могут отражаться в разных слоях, либо вовсе не отражаться. Отсутствие отражений наблюдается при излучении волн под большим углом по отношению к поверхности Земли и при относительно высоких частотах. В этом случае радиоволны «пронзают» ионосферу и уходят в мировое пространство.
Несмотря на изменчивость свойств ионосферы, относительная регулярность этих изменений делает возможным использовать ее на постоянно действующих радиолиниях.
В атмосфере наблюдаются и иные менее регулярные неоднородности (например, следы метеоров, искусственные неоднородности), которые также учитываются в построении ряда радиолиний.
На основе проведенного анализа свойств тропосферы и ионосферы можно сделать вывод, что радиоволны могут распространяться:
- вдоль земной поверхности (земные или поверхностные волны);
- с отражением от неоднородностей, находящихся в среде РРВ (пространственные волны);
- в свободном пространстве (когда электрические параметры Земли не влияют на свойства РРВ) – на дальность прямой видимости.
Для некоторых радиолиний можно определить радиоволны, которые, кроме того, могут распространяться в каких-либо геологических слоях Земли, строительных материалах и в воде.
Особенности РРВ зависят от частоты радиоволны:
- с ростом частоты (с уменьшением длины волны) поглощение энергии радиоволны в земле возрастает, а в ионосфере – уменьшается;
- с уменьшением частоты (с увеличением длины волны) возрастает дифракционная и рефракционная способность распространения радиоволн, т.е. способность огибать земную поверхность и преломляться в неоднородной среде;
- с уменьшением частоты радиоволны и с увеличением угла падения волны на ионосферу возрастает отражающая способность ионосферных слоев.
Особенности распространения радиоволн ОНЧ и НЧ диапазонов.
Радиоволны с длинами от 1 до 100 км, соответствующие диапазонам НЧ и ОНЧ, превышают размеры большей части неровностей почвы и препятствий, поэтому при их распространении заметно проявляется дифракция. Благодаря дифракции волны огибают земную поверхность, холмы и даже горные хребты. Однако, обогнув высокое препятствие, волны далее распространяются в свободном пространстве прямолинейно, поэтому возможно образование "мертвой зоны", в пределах которой прием сигналов затруднен или невозможен (рис. 5.4).
Поверхностные волны индуцируют в почве ЭДС, в результате чего часть энергии радиоволны поглощается. По этой причине волны диапазонов НЧ и ОНЧ способны распространяться на расстояния в тысячи километров.