Загрузка...
Учебная работа. Распространение радиоволн в свободном пространстве
Распространение радиоволн в вольном пространстве
План
1. Базы распространения радиоволн подвижной радиосвязи в вольном пространстве
2. Формула безупречной радиопередачи
3. Радиолинии 1-ого и 2-ого рода
4. Зоны Френеля. Область места, значимая при распространении радиоволн
1. Базы распространения радиоволн подвижной радиосвязи в вольном пространстве
Система передачи инфы состоит из 3-х главных частей: передающего устройства, приемного устройства и промежного звена — соединяющей полосы. Промежным звеном является среда — место, в каком распространяются радиоволны. При распространении радиоволн по естественным трассам, т. е. в критериях, когда средой служит земная поверхность, атмосфера, галлактическое место, среда является тем звеном радиосистемы, которое фактически не поддается управлению.
При распространении радиоволн в среде происходят изменение амплитуды поля волны, изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов. В связи с сиим, проектируя полосы радиосвязи, нужно:
1. Высчитать мощность передающего устройства либо мощность сигнала на входе приемного устройства (найти энерго характеристики линий);
2. Найти рациональные рабочие волны при данных критериях распространения;
3. Найти настоящую скорость и направление прихода сигналов;
4. Учитывать вероятные преломления передаваемого сигнала и найти меры по их устранению.
Для решения этих задач нужно знать электронные характеристики земной поверхности и атмосферы, также физические процессы, происходящие при распространении радиоволн. Земная поверхность оказывает существенное воздействие на распространение радиоволн:
· в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются;
· при падении на земную поверхность они отражаются;
· сферическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн.
Радиоволны, распространяющиеся в конкретной близости от поверхности Земли, именуют земными радиоволнами (рис.1). Рассматривая распространение земных волн, атмосферу считают средой без утрат с относительной диэлектрической проницаемостью , равной единице. Воздействие атмосферы учитывают раздельно, внося нужные поправки.
В окружающей землю атмосфере различают три области, оказывающие воздействие на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы меж этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места.
Тропосферой именуется приземной слой атмосферы, простирающийся до высоты 7-18 км. В области тропосферы температура воздуха с высотой убывает. Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности. Ее электронные характеристики изменяются при изменении метеорологических критерий. В тропосфере происходит искривление линии движения земных радиоволн (1 на рис.1), называемое рефракцией. Распространение тропосферных радиоволн (2 на рис.1) может быть из-за рассеяния и отражения их от неоднородностей тропосферы. Радиоволны миллиметрового и сантиметрового диапазонов в тропосфере поглощаются.
Стратосфера простирается от тропопаузы до высот 50—60 км. Стратосфера различается от тропосферы значительно наименьшей плотностью воздуха и законом распределения температуры по высоте: до высоты 30—35 км температура постоянна, а дальше до высоты 60 км резко увеличивается. На распространение радиоволн стратосфера оказывает то же воздействие, что и тропосфера, но оно проявляется в наименьшей степени из-за малой плотности воздуха.
Ионосферой именуется область атмосферы на высоте 60-10 000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха очень мала и воздух ионизирован, т. е. имеется огромное число вольных электронов. Присутствие вольных электронов значительно влияет на электронные характеристики ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. Радиоволны, распространяющиеся методом отражении от ионосферы либо рассеяния в ней, именуют ионосферными волнами (3 на рис.1). На условия распространения ионосферных волн характеристики земной поверхности и тропосферы влияют не достаточно.
Условия распространения радиоволн (4,5 на рис.1) при галлактической радиосвязи владеют некими специфичными чертами, а на радиоволны 4 основное воздействие оказывает атмосфера Земли[31].
Рис. 1 Условия распространения радиоволн
характеристики канала подвижной связи зависят от огромного количества причин, сначала от характеристик применяемых антенн, параметров физической среды, в какой распространяются радиоволны, особенностей электрических цепей, участвующих в передаче и приеме сигнала, также от скоростей перемещения подвижных станций. Чтоб упростить рассмотрение параметров канала подвижной связи, целенаправлено ввести главные определения, касающиеся антенн, и разобрать безупречный вариант — распространение сигнала в вольном пространстве.
В теории антенн рассматривается теоретический вариант, когда антенна испускает сигнал мощностью (Ватт) идиентично во всех направлениях. Таковая антенна именуется изотропной. Это безупречное устройство, которое фактически нереально воплотить. Но оно служит образцом для остальных типов антенн. Если вокруг изотропной антенны нарисовать сферу радиуса , то во всех точках поверхности данной нам сферы электромагнитное поле, индуцируемое антенной, будет идиентично. Настоящие антенны фокусируют излучаемую энергию в определенных направлениях, потому на практике нормированная черта излучающей антенны описывается последующим выражением:
(1)
где — напряженность поля в точке сферы с координатами, определяемыми углами ц и и; — наибольшее
Изотропная антенна размещена сначала координат. Её нормированная черта представляет собой безупречную сферу — рис. 2. Просто увидеть, что нормированная черта не зависит от радиуса сферы.
Рис. 2. Нормированная черта изотропной антенны
термин плотность [потока] энергии (ППЭ) тесновато связан с нормированной чертой. Это энергия, излучаемая в данном направлении в единицу телесного угла Телесный угол измеряется в стерадианах. Полный телесный угол равен 4р стерадиан.. Обе свойства антенны соединены выражением:
, (2)
где — наибольшая ППЭ.
Суммарная мощность , излучаемая антенной, представляется в виде интеграла по телесному углу, т. е.
, (3)
, (4)
Излучаемая мощность быть может выражена в виде произведения средней ППЭ и величины полного телесного угла, которая равна 4р. Средняя плотность излучения быть может интерпретирована как плотность потока энергии изотропной антенны, которая испускает ту же самую суммарную мощность , что и данная антенна. Отношение плотности потока энергии к средней ППЭ именуется коэффициентом направленного деяния антенны. Его наибольшее направленностью антенны D и описывается выражением
(5)
термин направленность значит, что плотность излучения в направлении наибольшего излучения в раз больше, чем плотность излучения изотропной антенны той же суммарной мощности, что и данная антенна. В настоящей антенне излучаемая мощность представляет собой лишь часть подаваемой на ее вход мощности . часть мощности рассеивается и преобразуется в тепло. Таковым образом, антенна характеризуется энергетической эффективностью (либо коэффициентом полезного деяния):
. (6)
Для учета рассеяния мощности вводится термин коэффициент усиления антенны. Он определяется выражением
. (7)
Коэффициент усиления антенны обычно применяется при определении эквивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ, англ. Effective Isotropic Radiated Power — EIRP), описываемой произведением: .
Эквивалентная изотропная излучаемая мощность определяется как мощность, которую нужно подать на изотропную антенну для того, чтоб получить в точке приема буквально такое же поле, которое будет получено в ней с помощью антенны с коэффициентом усиления , на вход которой подана мощность . Геометрически это иллюстрирует рис. 3.
Рис. 3 Геометрическое В качестве другого типа эталонной антенны употребляется полуволновой симметричный вибратор.
Если сопоставить мощность сигнала от антенны с коэффициентом усиления с такой от полуволнового вибратора, то можно найти так именуемую эквивалентную излучаемую мощность (ЭИМ, англ. Effective Radiated Power).
Коэффициент усиления полуволнового вибратора относительно изотропной антенны равен 1,64, что соответствует 2,15 дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений). Потому эквивалентная излучаемая мощность данной антенны будет на 2,15 дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений) меньше, чем ее эквивалентная изотропная излучаемая мощность.
Зависимо от принятого типа эталонной антенны, единицы измерения коэффициента усиления антенны обозначаются дБи — для изотропной антенны либо дБb — для полуволнового вибратора.
На основании изложенного выше почти всегда переход от коэффициента усиления антенны к коэффициенту направленности осуществляется довольно просто — методом роста первого параметра в 1,64 раза либо на 2,15 дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений) (по мощности)[30].
2. Формула безупречной радиопередачи
Свободное место можно разглядывать как однородную не всасывающую среду с . В реальности таковых сред не существует, но выражения, описывающие условия распространения радиоволн в этом простом случае, являются базовыми. Распространение радиоволн в наиболее сложных вариантах характеризуется теми же выражениями с внесением в их множителей, учитывающих воздействие определенных критерий распространения.
Для вольного места плотность энергии (Вт/м2) на расстоянии (м) от точечного источника, излучающего радиоволны умеренно во всех направлениях, связана с мощностью, излучаемой сиим источником (Вт) последующей зависимостью:
, (8)
где — модуль вектора Пойнтинга. На практике антенна испускает энергию по различным фронтам неравномерно. Для учета степени неравномерности излучения вводят коэффициент направленного деяния антенны.
Коэффициент направленного деяния антенны D указывает, во сколько раз меняется плотность мощности на данном расстоянии от излучателя при направленном излучателе по сопоставлению с ненаправленным (изотропным) излучателем.
При использовании направленного излучателя происходит пространственное перераспределение мощности, в итоге чего же в неких направлениях плотность мощности увеличивается, а в остальных понижается по сопоставлению со случаем использования изотропного излучателя. Применение направленных антенн дозволяет получить в D раз огромную плотность мощности в точке приема либо в D раз понизить мощность передатчика.
Величина является функцией углов наблюдения: в горизонтальной плоскости и в вертикальной (рис 2). Обычно антенна делает наибольшее излучение только в неком направлении , для которого приобретает наибольшее диаграммой направленности антенны по мощности, а отношение — нормированной диаграммой направленности по мощности (рис.4).
Рис. 4. Диаграммы направленности антенны по мощности: 1 — изотропного излучателя; 2 — направленной антенны
Плотность мощности на расстоянии от направленной излучающей антенны
. (9)
Амплитуда напряженности электронного поля радиоволны в вольном пространстве связана с плотностью энергии данной нам волны (через сопротивление вольного места )
, (10)
откуда определяется амплитудное
(11)
Мощность на входе приемника, согласованного с антенной, находящейся на расстоянии от излучателя,
, (12)
где — действенная площадь приемной антенны, характеризующая площадь фронта волны, из которой антенна извлекает энергию.
Мощность комфортно определять конкретно через мощность и величину излучающей антенны:
. (13)
Это выражение именуется формулой безупречной радиопередачи.
Ослабление мощности при распространении радиоволн в вольном пространстве, определяемое как отношение , именуют потерями передачи в вольном пространстве. При ненаправленных передающей и приемной антеннах это отношение (дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений)) рассчитывают по формуле:
, (14)
где — мощность, Вт; — расстояние, км; — частота, МГц.
Применение направленных антенн эквивалентно повышению излучаемой мощности в раз[32].
3. Радиолинии 1-ого и 2-ого рода
При расчете и проектировании радиолиний, в особенности в спектрах сантиметровых и дециметровых волн, нужно знать мощность сигнала на входе приемника. Эта мощность определяется различно для радиолиний 2-ух типов. На радиолинии I типа передача инфы ведется конкретно из пт передачи в пункт приема (рис. 5).
Рис 5 Радиолиния I-го типа
На радиолиниях II типа принимаются сигналы, испытавшие пассивную ретрансляцию на пути от передатчика к приемнику (рис. 6).
Рис. 6 Радиолиния II-го типа
На этих линиях конкретная передача энергии волны от источника до точки приема по любым причинам невозможна (к примеру, этот путь перекрыт препятствием). На наземных радиолиниях с пассивной ретрансляцией на пути распространения имеется особое антенное устройство, которое облучается первичным полем и переизлучает его в виде вторичного поля, созданного для приема.
На хоть какой радиолинии мощность на входе приемника связана с плотностью потока мощности в месте приема соотношением
, (15)
где 2 — КПД фидера приемной антенны; — работающая площадь приемной антенны.
На радиолинии I типа в критериях вольного места плотность потока мощности в месте приема
, (16)
где1, r указаны на рис. 6.
Подставляя (16) в (15), получаем для радиолинии I типа мощность на входе приемника в критериях вольного места:
. (16)
На радиолинии II типа тело облучается полем, то его способность переизлучать это поле оценивается действенной площадью рассеяния (ЭПР). Величина ЭПР зависит от формы, размеров, электронных параметров материала, из которого выполнен переизлучатель, также от его ориентации относительно направления распространения первичного поля и направления на прием.
Если около переизлучающего тела плотность потока мощности первичного поля , то переизлученная мощность:
, (17)
а плотность потока мощности вторичного поля поблизости приемной антенны в критериях вольного места
(18)
Согласно (15), (17), (18) мощность на входе приемника для радиолинии II типа
. (19)
В тех вариантах, когда .
(20)
Из (16) и (20) видно, что в вольном пространстве при отсутствии пассивного ретранслятора на полосы мощность на входе приемника миниатюризируется назад пропорционально квадрату расстояния, а при работе с ретранслятором — назад пропорционально четвертой степени. Такое резвое убывание поля на линиях II типа разъясняется тем, что поле два раза испытывает расходимость: первичное поле — на пути от источника (передающей антенны) до ретранслятора и вторичное поле — на пути от источника (ретранслятора) до пт приема.
При проектировании систем комфортно иметь сведения о потерях при передаче электромагнитной энергии. Потерями передачи именуют отношение мощности , подводимой к передающей антенне, к мощности на входе приемной антенны:
, (21)
где — мощность на выходе передатчика; — мощность на входе приемника. Для радиолинии I типа в критериях вольного места согласно (16) и (21) утраты передачи
. (22)
Расчеты упрощаются, если в (22) выделить составляющую , которая охарактеризовывает утраты, обусловленные расходимостью волны при . Составляющая именуется главными потерями передачи в критериях вольного места:
. (23)
Полные утраты передачи обычно выражают через . Так, заместо (22) можно записать
. (24)
Для радиолинии II типа в критериях вольного места при согласно (20) и (21) утраты передачи
(25)
либо с учетом (23)[29]
(26)
4. Зоны Френеля. Область места, значимая при распространении радиоволн
радиоволна антенна место
В теории распространения радиоволн, в особенности при оценке воздействия земли, принципиальное
Областью, значимой при распространении радиоволн, именуют часть места, в каком распространяется основная толика энергии.[31]
Форму и размеры значимой области, может быть, установить и аналитически, используя принцип эквивалентности. Согласно этому принципу поле в точке приема определяется суммарным действием вторичных источников, распределенных по воображаемой поверхности, замкнутой вокруг источника А либо точки приема В.
Выберем поверхность, которая обхватывает источник, и для упрощения расчетов составим ее из нескончаемой плоскости , расположенной перпендикулярно полосы АВ (рис. 7), и полусферы с нескончаемым радиусом, которая замыкает плоскость .
Поля от источников, расположенных на нескончаемо удаленных участках поверхности , нескончаемо малы вследствие расходимости волны. Потому суммарное поле формируется источниками на поверхности , расположенными на конечном расстоянии от точки В. Для облегчения суммирования разделим плоскость на зоны Френеля.
Построим серию ломаных (рис. 8, а), пересекающих плоскость так, чтоб длина каждой следующей ломаной была больше длины предшествующей на одну вторую длины волны:
. (27)
Семейство ломаных линий, удовлетворяющих условиям (1.20), при пересечении с плоскостью образует на данной нам плоскости систему окружностей с центром в точке (рис. 8, б). Участки плоскости, ограниченные окружностями, именуют зонами Френеля на плоскости. 1-ая зона представляет собой круг, зоны высших номеров — кольцевые области.
Рис. 7 Внедрение принципа эквивалентности
Суммарное поле от всех источников рассчитывается с учетом их распределения по зонам Френеля.
Рис. 8 Амплитуда поля от элемента поверхности оценивается как , а фаза , где С — константа, зависящая от параметров первичного источника. Результирующее поле:
, (28)
т.е. напряженность поля равна половине той величины, которая создается источниками первой зоны Френеля.
При суммировании полей от источников лишь первой зоны напряженность поля увеличивается до , где — поле в вольном пространстве. При предстоящем сложении проявляется действие противофазных полей от источников 2-ой зоны, и результирующая напряженность поля миниатюризируется. Возмещающее действие полей от источников четных зон Френеля обусловливает немонотонный законприближения величины к при .
Существенную область обычно ограничивают приблизительно восемью зонами Френеля. При таком приближении ошибка в вычислении поля не превосходит 16%.
Наружный радиус n-й зоны Френеля сn согласно рис. 8, a) и условию (27), также с учетом того, что на настоящих линиях , определяется соотношением
. (29)
Наибольший радиус соответствует середине трассы, где .
. (30)
Наибольший радиус существенного эллипсоида, ограниченного восемью зонами Френеля,
. (31)
Чем короче волна, тем меньше поперечные размеры существенного эллипсоида. К примеру, на волнах при протяженности полосы радиус . При всем этом большая ось существенного эллипсоида, соизмеримая с длиной радиолинии, в сотки и тыщи раз больше его малой оси, т.е. эллипс очень вытянут вдоль трассы.
понятие значимой области обширно применяется при исследовании критерий распространения на линиях, где электронные характеристики тракта распространения неоднородны. к примеру, при распространении радиоволн над земной поверхностью ослабление поля зависит от степени затенения значимой области поверхностью Земли. Если высоты антенн таковы, что часть значимой области затенена, то утраты на полосы существенно растут.
В заключение отметим, что значимая область имеет форму эллипсоида вращения лишь при использовании ненаправленных антенн в точках передачи и приема. Реально ее форма наиболее непростая и зависит от ДН антенн[29].
Литература:
1 Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. — М. Радио и связь. 1996. — 486с.
2. Печаткин А.В. системы мобильной связи. Часть 1. Принципы организации и частотного планирования систем мобильной связи: учебное пособие. РГТУ. — Рыбинск, 2008.- 122с.
3. Яманов Д.Н. Базы электродинамики и распространение радиоволн. часть 1. Базы электродинамики: Тексты лекций. — М: МГТУ ГА, 2002. — 80 с.
4. Яманов Д.Н. Базы электродинамики и распространение радиоволн. часть 2. Базы электродинамики. Тексты лекций.- М: МГТУ ГА, 2005. — 100 с.
]]>