Укв волны. Частотное распределение укв диапазонов. Восточная Европа и УКВ

УЛЬТРАКОРОТКИЕ ВОЛНЫ

УЛЬТРАКОРОТКИЕ ВОЛНЫ

(УКВ) - традиционное название диапазона радиоволн, объединяющего метровые, дециметровые, сантиметровые и (или диапазоны очень высоких частот - ОВЧ, ультравысоких частот-УВЧ, сверхвысоких частот - СВЧ, крайне высоких частот - КВЧ).

Распространение УКВ в осн. происходит в пределах прямой видимости. При этом предельное расстояние для двух антенн, поднятых на высоты (R З - радиус Земли), составляет

Существенной особенностью УКВ является отсутствие регулярного зеркального отражения от ионосферы. Исключением являемся загоризонтное распространение радиоволн (метровых волн), происходящее в осн. за счёт рассеяния их на ионизованных метеорных следах (см. также Метеорная радиосвязь), а также при наличии спорадических E s слоев, способных иногда отражать вплоть до частот 50-60 МГц. При этом возможно многоскачковое в волноводе Земля - с предельной дальностью скачка 2000 км (см. Волноводное распространение радиоволн). Значит. влияние на распространение УКВ оказывает Земли. Для тропосферы характерны следующие механизмы загоризонтного распространения УКВ: нормальная (стандартная) рефракция лучей, рассеяние на турбулентных флуктуациях показателя преломления, энергии в тропосферном волноводе, отражение от приподнятых инверсных слоев (см. Распространение радиоволн). Учёт рефракций при радиосвязи на УКВ приводит к увеличению предельной дальности: в случае нормальной рефракции

Примерно такое же (до 100-150 км) увеличение предельной дальности наблюдается при распространении УКВ в поверхностном тропосферном волноводе, где распространяются гл. обр. СВЧ- и КВЧ-диапазонов. Значительное (до неск. сотен км) увеличение протяжённости линий связи между наземными пунктами возможно за счёт рассеяния (или переизлучения) УКВ на неоднород-ностях тропосферы (т. н. дальнее тропосферное распространение; см. также Сверхдальнее распространение радиоволн). При этом, однако, уровень поля в точке приёма подвержен хаотич. изменениям. Усреднённый коэф. ослабления уровня поля зависит от протяжённости трассы и колеблется от -65 до -110 дБ. Значит. увеличение уровня поля в точке приёма может наблюдаться при наличии приподнятых М -инверсий, образующихся при повыш. влажности в областях высокого атм. давления. Рассеяние УКВ происходит на флуктуациях коэф. преломления стратосферы (высоты области рассеяния до 15-20 км), однако усреднённый коэф. ослабления уровня поля на таких трассах (от 700 до 1300 км) составляет ~150 дБ. При длинах волн более 10 см среда ведёт себя как идеальный диэлектрик и распространение УКВ в тропосфере происходит без к.-л. дополнит. потерь энергии. При l<10 см становятся существенными рассеяние и атм. осадками. Напр., ослабление волн с l~1см в условиях ливня достигает 18 дБ/км. При осадках в виде града и достаточно больших размерах градин возрастают потери из-за рассеяния волн. В диапазоне миллиметровых волн сильно сказывается затухание в атм. газе (ослабление, вызываемое атм. кислородом при нормальном атм. давлении и темп-ре 20 o C, на l~5 мм составляет ~ 14 дБ/м).

УКВ широко применяются в системах связи и вещания. Большинство таких систем работает в пределах зон, ограниченных условиями прямой видимости корреспондирующих пунктов. Увеличение дальности связи до неск. тыс. км достигается в т. н. радиорелейных линиях (РРЛ) - цепочке ретрансляционных станций, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости. В РРЛ используют волны УВЧ- и СВЧ-диапазонов. Большая ширина диапазонов УКВ по частоте и возможность создания узконаправленных антенных систем позволяют применять УКВ-диапазон для создания широкополосных и многоканальных магистральных линий связи. Использование в РРЛ в качестве ретранслятора ИСЗ обеспечивает связь между наземными пунктами, удалёнными более чем на 10 тыс. км. Разрабатывается новое поколение РРЛ-цифровые РРЛ (ЦРРЛ). Поскольку занимаемая ЦРРЛ достигает 100 МГц (что во много раз превышает полосы пропускания обычных РРЛ), то очевидно, что ЦРРЛ будут работать в осн. на частотах выше 10 ГТц. Диапазон УКВ является единственным, в к-ром осуществляются телевиз. передачи (см. Телевидение )и организуется высококачественное частотно-моду-лир. радиовещание. В тех случаях, когда размещение ретрансляторов в РРЛ на расстояниях прямой видимости затруднено (напр., в труднодоступных местах), используются линии дальней тропосферной радиосвязи. Для создания таких линий связи применяют антенны, имеющие КНД ~50-55 дБ и спец. приёмную аппаратуру, повышающие надёжность работы радиолинии связи в условиях случайных изменений уровня сигнала.

УКВ используются также в системах радиолокации, ближней радионавигации и радиоастронавигации, радиотелеуправления и радиодистанциометрии. Радиоволны УКВ-диапазона применяются при изучении атмосферы звёзд, планет, туманностей (радиоастрономия), в медицине для определения темп-ры биол. объектов (радиотермогра-фия), при изучении структуры и состава вещества (радиоспектрометрия).

Лит.: Альперт Я. Л., Распространение электромагнитных волн и ионосфера, 2 изд., M., 1972; Долуханов M. П., Распространение радиоволн, M., 1972; Шур А. А., Характеристики сигнала на тропосферных радиолиниях, M., 1972; Черенковa E. Л., Чернышев О. В., Распространение радиоволн, M., 1984; Электромагнитные волны в атмосфере и космическом пространстве, под ред. А. В. Соколова, А. А. Семенова, M., 1986. А. В. Рахлин.

Общие свойства. К диапазону ультракоротких волн (УКВ) относят радиоволны длиной от 10 м до 1 мм (= 30 МГц З 105 МГц). В нижнем пределе частот диапазон УКВ примыкает к КВ. Эта граница определена тем, что на УКВ, как правило, не может быть удовлетворено условие отражения радиоволн от ионосферы. В верхнем пределе частот УКВ граничат с длинными инфракрасными волнами. Диапазон УКВ делится на поддиапазоны метровых, дециметровых, сантиметровых, миллиметровых волн, каждый из которых имеет свои особенности распространения, но основные положения свойственны всему диапазону УКВ. Условия распространения зависят от протяженности линии связи и специфики трассы.
Из-за малой длины УКВ плохо дифрагируют вокруг сферической поверхности Земли и крупных неровностей земной поверхности или других препятствий. Антенны стремятся расположить на значительной высоте над поверхностью Земли, так как при этом, во-первых, увеличивается расстояние прямой видимости и, во-вторых, уменьшается экранирующее влияние местных предметов, находящихся вблизи антенны. При этом, как правило, выполняется условие, при котором высота расположения антенны много больше длины волны и расчет напряженности поля можно вести по интерференционным формулам.
В диапазоне УКВ земная поверхность может рассматриваться как идеальный диэлектрик, и проводящие свойства земной поверхности следует учитывать только при распространении метровых волн над морской поверхностью. Поэтому изменение про¬водящих свойств почвы (изменение ее влажности) практически не сказывается на распространении УКВ. Но даже небольшие неровности земной поверхности существенно изменяют условия отражения УКВ от поверхности Земли.
Распространение УКВ в пределах прямой видимости. Отражение от земной поверхности. При расстояниях, много меньших предела прямой видимости, можно не учитывать влияние сферичности Земли и влияние рефракции радиоволн в тропосфере. Характерными особенностями распространения УКВ при этом являются большая устойчивость и неизменность уровня сигнала во времени при стационарных передатчике и приемнике.
При расстояниях, лежащих в пределах 0,2 < <0,8 , необходимо учитывать влияние сферичности Земли. Одновременно следует учитывать влияние рефракции, используя принцип эквивалентного радиуса Земли. При таких расстояниях на распространение УКВ влияют и метеорологические условия. С изменением коэффициента преломления тропосферы меняется кривизна траектории волны, причем для прямого и отраженного от земной поверхности лучей эти изменения могут оказаться различными. В результате изменяется разность фаз между прямым и отраженным лучами, а следовательно, меняется и уровень поля радиоволны, происходят замирания сигнала. Мешающее действие замираний усиливается с увеличением расстояния.
Радиолокационные отражения. Отражения УКВ от неровной земной поверхности имеют особое значение в радиолокационной технике. В основном они носят рассеянный характер, причем часть отраженной энергии оказывается направленной к источнику. Такие отражения чаще всего относятся к мешающим сигналам, которые затрудняют распознавание полезных радиолокационных целей. Однако отражения от земной поверхности к источнику используются при проведении наблюдений за поверхностью Земли с воздуха, например при высотометрии.
Распространение УКВ над пересеченной местностью и в городах. Обычно вдоль линии связи на УКВ имеются большие или малые неровности, которые влияют на распространение радиоволн. В общем случае учесть это влияние не представляется возможным. Для расчета напряженности электрического поля в каждом конкретном случае необходимо построить профиль трассы и в зависимости от характера этого профиля вести расчет тем или иным методом. Рассмотрим несколько примеров профилей трасс.
Трасса, проходящая над небольшими пологими холмами. На (рис.3.1,а), изображен профиль трассы, при котором передающая антенна расположена на пологом склоне холма. В этом случае к приемной антенне могут прийти прямой луч АВ и три отраженных луча, и. При расчете напряженности электрического поля следует учитывать разность фаз этих лучей, обусловленную разностью хода и раз-ными условиями отражения в точках, и. В результате рассмотрения такой картины можно получить выражение для расчета напряженности поля, аналогичное интерференционным формулам, но более сложное. На рис 3.1,б изображен профиль, при котором имеется возвышенность в середине трассы. В простейшем случае в точку В приходит только один луч, отражающийся в точке С. Для расчета такой трассы удобно ввести понятие приведенных высот антенн h1пр и h2пр и свести задачу к известному случаю распространения радиоволн над фиктивной плоскостью, касательной к поверхности Земли в точке отражения.

Рис. 3.1. Распространение УКВ в пересеченной местности:
а – одна антенна находится на пологом склоне; б – пологая возвышенность в середине трассы

Рис. 3.2. Схема трассы с «усиливающим препятствием»
Трасса, проходящая над высоким холмом или горным кряжем. Для приближенного определения напряженности поля на трассе, имеющей высокий холм или горный кряж, можно воспользоваться теорией дифракции электромагнитных волн на непрозрачном клиновидном экране. Если препятствие не перекрывает линии прямой видимости между антеннами, то трасса называется открытой; когда препятствие поднимается выше линии прямой видимости, трасса называется закрытой.
На трассах УКВ протяженностью примерно 100-150 км, проходящих через горные кряжи высотой 1000-2000 м, наблюдается явление, называемое усиление препятствием. Это явление заключается в том, что интенсивность электромагнитного поля радиоволны при некотором удалении за препятствие оказывается больше, чем на том же расстоянии от передатчика на трассе без препятствий. Объяснить усиление препятствием можно тем, что вершина горы служит естественным пассивным ретранслятором (рис. 3.2). Поле, возбуждающее вершину горы, складывается из двух волн — прямой АС и отраженной ADC. Волны дифрагируют на острой вершине горы, как на клиновидном препятствии, и распространяются в область за гору. При этом к месту расположения приемной антенны В придут два луча СЕВ и СВ. Следовательно, на участках трассы передатчик — гора и гора — приемник распространение идет в пределах прямой видимости. При отсутствии препятствия на расстоянии 100-150 км, намного превышающих предел прямой видимости, к месту приема доходит только весьма слабое поле, обусловленное дифракцией на сферической поверхности Земли и рефракцией. Расчеты и эксперименты показывают, что такое препятствие — ретранслятор может дать усиление напряженности электрического поля на 60-80 дБ.
Использование явления усиления препятствием оказывается экономически выгодным, избавляя от, необходимости устанавливать высокогорные ретрансляционные станции.
На некоторых радиорелейных линиях, проходящих в равнинной местности, сооружают искусственное усиливающее препятствие в виде сетки или системы проводов, что дает выигрыш в мощности и позволяет уменьшить высоту антенных мачт.
Распространение УКВ в пределах большого города. Большой город можно рассматривать как сильно пересеченную местность. Многочисленные опыты показали, что в среднем напряженность поля метровых и дециметровых волн в городе меньше, чем на открытой местности, примерно в 3-5 раз. В сантиметровом диапазоне волн ослабление еще сильнее.
Внутри помещений структура поля является еще более сложной и практически не поддается расчету. Измерения напряженности поля внутри помещения показали, что в помещениях верхних этажей напряженность поля составляет 10-40% напряженности поля над крышей, а в первом этаже – 3- 7% этой величины.
Распространение УКВ на большие расстояния в условиях сверхрефракции. При расстояниях, превышающих расстояние прямой видимости, напряженность поля радиоволн резко убывает. На этих расстояниях распространение происходит вследствие дифракции радиоволн вокруг сферической поверхности Земли, рефракции радиоволн в тропосфере и рассеяния их на неоднородностях тропосферы.
Резкое увеличение дальности распространения УКВ происходит, когда область сверхрефракций занимает значительные расстояния над земной поверхностью. В этом случае радиоволна распространяется путем последовательного чередования двух явлений: рефракции в атмосфере и отражения от земной поверхности. Такой вид распространения волн получил название атмосферного волновода. Но при этом от атмосферы отражается только часть энергии волны, которая используется для приема, а остальная, преломляясь, уходит через верхнюю стенку волновода (рис. 3.3). Для атмосферного волновода определенной вы¬соты по аналогии с металлическим волново¬дом имеется некоторая критическая длина волны. Волны длиннее критической быстро затухают и не распространяются.
Высота атмосферных волноводов hв достигает несколько десятков метров, следовательно, волноводное распространение возможно только для сантиметровых и дециметровых волн.
В условиях волноводного канала только наиболее пологие лучи отражаются от стенок канала, а более крутые лучи просачиваются сквозь стенки. Если передатчик и приемник находятся в пределах волновода, то прием УКВ оказывается возможен на больших расстояниях. В противном случае дальность приема может даже уменьшиться по сравнению с условиями нормальной рефракции.
Атмосферные волноводы появляются нерегулярно и поэтому обеспечить устойчивую радиосвязь на больших расстояниях на волноводном распространении УКВ нельзя. Но это явление может служить причиной создания взаимных помех станциями, работающими в сантиметровом диапазоне волн и даже разнесенными на большие расстояния. Кроме того, появление атмосферного волновода может создавать помехи для работы радиолокационных станций..
Рассеяние УКВ на неоднородностях тропосферы. Неоднородности тропосферы представляют собой области, в которых диэлектрическая проницаемость отличается от среднего значения для окружающей тропосферы. Под действием поля проходящей волны в каждой неоднородности тропосферы наводятся токи поляризации и создается электрический момент. В результате неоднородности действуют как вторичные излучатели. Вторичное излучение совокупности неоднородностей можно характеризовать некоторой диаграммой направленности с максимумом излучения в сторону первоначального движения волны.

Рис. 3.3. Распространение УКВ в условиях атмосферного волновода

Рис. 3.4. Схема линии радиосвязи, использующей тропосферное рассеяние