Как найти расстояние радиоволны

1. Основные
   понятия

Радиоволны
– это электромагнитные волны, диапазон
частот которых изменяется в пределах

Гц. Такое
ограничение диапазона сделано условно.
Указанный спектр частот принято
классифицировать по соответствующим
диапазонам (таблица 5.1).

Таблица 5.1.
Классификация радиоволн по диапазонам.

Нижняя граница	Диапазон	Верхняя граница
f, Гц	, м	f, Гц	, м
310-3 (3 МГц)	1011	Радиоволны инфразвуковых и звуковых частот	3103	105
3103 (3 кГц)	105	Сверхдлинные волны (СДВ)	3104	104
3104 (30 кГц)	104	Длинные волны (ДВ)	3105	103
3105 (300 кГц)	103	Средние волны (СВ)	3106	102
3106 (3 МГц)	102	Короткие волны (КВ)	3107	10–
		Ультракороткие волны:
3107 (30 МГц)	10	метровые (МВ)	3108	1
3108 (300 МГц)	1	дециметровые (ДМВ)	3109	10-1
3109 (3 ГГц)	10-1	сантиметровые (СМВ)	31010	10-2
31010 (30 ГГц)	10-2 (1 см)	миллиметровые (ММВ)	31011	10-3
		Оптические волны:
31011 (300 ГГц)	10-3 (1 см)	инфракрасные (ИКЛ)	41014	7,510-7
41014 (400 ТГц)	7,510-7 (0,75 мк = 7500 А)	видимый свет	7,51014	410-7
7,51010 (750 ТГц)	410-7 (0,4 мк = 4000 А)	ультрафиолетовые (УФЛ)	31015 (3000 ТГц)	10-7 (0,1 мк = 1000 А)

Часто удобно
выразить частоту радиоволн не в герцах,
а в производных единицах измерения. Для
этого применяют следующие единицы:

1 мГц (миллигерц)
=
Гц,

1 кГц (килогерц) =
Гц,

1 МГц (мегагерц) =
Гц,

1 ГГц (гигагерц) =
Гц,

1 ТГц (терагерц) =
Гц.

Предметом нашего
изучения являются свободно распространяющиеся
радиоволны. Под
свободно
распространяющимися радиоволнами
понимают радиоволны, распространяющиеся
в среде без направляющей системы. Волны
могут распространяться в атмосфере,
толще Земли и океане, но никакой линии
передачи в виде жесткой конструкции
не применяют.

Свободно
распространяющиеся волны применяются
для радиосвязи, радиолокационного
наблюдения, телеуправления и решения
других многочисленных практических
задач. В любом случае используют линию
связи, называемую радиолинией. Радиолиния
включает
три составные части: передатчик, приемник
и среду, в которой происходит распространение
волны. В радиолиниях со свободно
распространяющимися волнами средой
является природная среда. Именно в ней
происходит распространение электромагнитных
волн из пункта передачи (А) в пункт приема
(В). Радиолинии классифицируют по трем
типам:

1. Простейшая
   радиолиния.

2. Радиорелейная
   линия связи.

3. Вторичная
   радиолиния.

Рассмотрим признаки
каждой радиолинии из приведенных типов.

Простейшая
линия
содержит передатчик и приемник,
расположенные на ее концах (рис.5.1).

Рис.5.1 Простейшая
радиолиния:

А – передатчик, В
– приемник.

На рис.5.1 показано,
что сигнал выходит из пункта передачи
А и приходит в пункт приема В за счет
отражения от слоя ионосферы, т. е.
схематично показан вид односкачковой
трассы.

Однако далеко не
всегда можно обеспечить связь с помощью
простейших линий. Часто рельеф местности
является сложным и сигнал в пункт
назначения может прийти за счет
промежуточных релейных (трансляционных)
станций. На рис.5.2 приведена схема такой
радиорелейной
линии связи.

Рис.5.2 Радиорелейная
линия связи:

и В
– оконечные станции;
– промежуточные станции.

Каждый участок
радиорелейной линии связи можно
рассматривать как простейшую линию
связи.

Для научных
исследований часто применяют вторичные
линии связи,
в которых
изучаемый сигнал облучает некоторое
инородное тело (метеор, дождевое облако
и др.), что приводит к рассеянию радиоволны.
Среди рассеянных радиоволн найдется
волна, которая дойдет до приемника
(рис.5.3).

Рис
5.3 Вторичная радиолиния:

А – передатчик, В
– приемник, С – облучаемый объект.

Радиоволны можно
классифицировать по способу распространения.
Такая классификация позволяет выделить
следующие типы волн.

1. Свободно
   распространяющиеся волны
   – это волны,
   траектория которых близка к прямолинейным
   траекториям.

2. Земные
   волны
   – это волны,
   распространяющиеся в непосредственной
   близости от поверхности Земли. Земные
   волны также называют поверхностными
   волнами. Они способны частично огибать
   поверхность Земли за счет явления
   дифракции.

3. Тропосферные
   волны
   – это волны,
   распространяющиеся на значительные
   расстояния (до ≈ 1000 км) за счет рассеяния
   их в тропосфере и направляющего
   (волноводного) действия тропосферы.
   Напомним, что тропосфера – это нижний
   слой атмосферы. Верхняя граница
   тропосферы соответствует ≈ 15 км,
   характерная особенность такой границы
   заключается в постоянстве температуры,
   т.е. grad
   T=0.
   Тропосферными волнами распространяются
   волны, длина волны которых λ<10
   м.

4. Ионосферные
   волны
   – это волны,
   распространяющиеся на большие расстояния
   и огибающие земной шар за счет
   многократного отражения от ионосферы.
   Ионосферными распространяются волны,
   длина волны которых λ>10 м, т.е. к
   ионосферным волнам относят волны КВ,
   СВ, ДВ и СДВ диапазонов. Следует иметь
   в виду, что метровые волны также могут
   распространяться как ионосферные –
   за счет рассеяния на неоднородностях
   ионосферы и отражений от метеорных
   следов.

5.2. Распространение
радиоволн в свободном пространстве

Пусть в свободном
пространстве (однородной непоглощающей
среде с ε=1,μ=1) помещен точечный излучатель,
к которому подведена мощность
.
Такой излучатель равномерно излучает
энергию во все стороны пространства,
волновая поверхность распространяющейся
волны представляет собой сферическую
поверхность (рис.5.4).

Рис.5.4. Сферический
фронт волны от точечного излучателя

После начала
излучения волны радиус сферического
фронта будет иметь значение r.
Распространяясь, волна переносит
энергию, плотность потока которой через
единичную площадку за единицу времени
(модуль вектора Пойнтинга) определяется
формулой:

,

, (5.1)

где
– подведенная к излучателю мощность,r
– радиус
сферической волны.

Среднее значение
плотности потока энергии за период
времени Т
определяют из формулы:

,

, (5.2)

где
-действующее
значение напряженности электрического
поля, -действующее
значение напряженности магнитного
поля.

Связь между
действующими значениями напряженностей
электрического и магнитного полей
выражается формулой:

(5.3)

где -волновое
сопротивление свободного пространства,
определяемое, как известно,
Ом.

Исходя из формул
(5.2, 5.3) можно для модуля вектора Пойнтинга
записать:

,

. (5.4)

В нашем случае
речь идет об одном и том же процессе
излучения электромагнитной энергии
точечным источником, поэтому на основании
(5.1) и (5.4) запишем равенство:

.
(5.5)

Из равенства (5.5)
определим:

(5.6)

где
– подведенная к излучателю мощность,r
– расстояние,-действующее
значение напряженности электрического
поля.

В реальных условиях
трассы в пунктах передачи используют
антенны, предназначенные для концентрации
излучаемой энергии в определенном
направлении, т.е. служащие направленному
излучению волны. Для учета направленных
свойств антенны ввели параметр –
коэффициент направленного действия
(КНД), выражающий степень направленности.
Обозначим КНД через D.
Все параметры, относящиеся к передающим
устройствам, будем снабжать индексом
1,
к приемным устройствам – индексом 2.
Например, мощность подводимую к излучающей
антенне в пункте передачи обозначим
Р₁,
коэффициент ее направленности – D₁,
Соответствующие обозначения для приемной
антенны будут Р₂,
D₂.

Определим сущность
понятия КНД. Предположим, что рядом
расположены две антенны: направленная
А
и всенаправленная В.
На рис.5.5 показаны схематично диаграммы
направленности обеих антенн.

Рис.5.5. Диаграммы
направленности антенн, направленной
(А) и изотропной (В).

Пусть к обеим
антеннам подводятся одинаковые мощности
.
Очевидно, что в пункте приема, находящемся
на достаточно удаленном и одинаковом
для обоих случаев расстоянии r₀,
напряженность поля, идущего от направленной
антенны будет больше по сравнению с
ненаправленной. Это обусловлено
концентрацией энергии направленной
антенной в требуемом направлении. Для
того чтобы получить такую же напряженность
поля, но от изотропного излучателя
(всенаправленной антенны), необходимо
увеличить мощность
,
подводимую к антенне.

Коэффициент
направленного действия
(КНД) показывает
во сколько раз необходимо увеличить
мощность, подводимую к изотропному
излучателю, чтобы получить такую же
напряженность поля в пункте приема, как
создаваемую направленной антенной.

КНД является
безразмерной величиной. В дальнейшем
покажем, что КНД измеряют в децибелах
(дБ). Учитывая направленность передающей
антенны, формула действующего значения
напряженности поля примет вид:

,

. (5.7)

Амплитудное
значение напряженности поля, пришедшего
в пункт приема, находится соответственно:

,

. (5.8)

Мгновенное значение
напряженности электрического поля,
т.е. значение поля, принимаемого в данный
конкретный момент времени определяется:

,,(5.9)

где
r
– расстояние,
– волновое число,с
– скорость света, ω
– циклическая частота,
– мощность, подводимая к передающей
антенне,-КНД передающей
антенны.

Мгновенное значение
напряженности электрического поля
можно записать в комплексной форме:

,

. (5.10)

В приведенных выше
формулах (5.7 – 5.10) физические величины
измеряют в международной системе
измерения СИ. Для практических расчетов
расстояние лучше измерять в километрах,
а не метрах, мощность – в киловаттах, а
не ваттах. Поэтому, выражая мощность
в киловаттах,
расстояниеr
в километрах
,
получим напряженность поля,
выраженную в милливольт на метр(мВ/м).
Учитывая введенные единицы измерения,
в формулах напряженности поля числовой
коэффициент изменит свое значение.
Итак, для практических расчетов
действующего значения распространения
радиоволн в свободном пространстве при
напряженности электрического поля
применяем формулу:

,

. (5.11)

Для амплитудного
значения напряженности электрического
поля формула примет вид:

,

. (5.12)

Единицы измерения
входящих в формулы (5.11), (5.12) физических
величин записаны в виде индексов.
Передающая и приемная антенна расположены
на плоской поверхности земли на расстоянии
r между собой. Покажем простейшую
радиотрассу в виде схемы (рис.5.6)

Рис.5.6.
Схема простейшей радиотрассы.

Необходимо
определить значение мощности, поступающей
на вход приемника. Очевидно, что для
определения требуемой мощности необходимо
знать модуль вектора Пойнтинга, пришедшего
в раскрыв приемной антенны
и учесть площадь раскрыва антенны, с
помощью которого «собирается» вся
приходящая энергия волны. Предварительно
введем понятиеэффективной
площади антенны
,которая
в антенно-фидерной технике определяется
формулой:

(5.13)

где -КНД приемной
антенны, λ
– длина волны. Плотность потока энергии,
поступающей в раскрыв антенны ,определим на
основании формулы (5.1), т.е.

Тогда мощность,
поступающая на вход приемного устройства,
определяется:

,

. (5.14)

При проектировании
радиолиний удобно пользоваться понятием
о потерях энергии, происходящих при
распространении. Потери энергии
определяют формулой:

(5.15)

где
индекс св
указывает,
что речь идет о потерях при распространении
в свободном пространстве. Исключим
влияние антенн, т.е. положим(обе антенны являются изотропными
излучателями). Тогда из формулы (5.15)
получимосновные
потери
энергии, связанные исключительно только
с распространением в свободном
пространстве.

(5.16)

Потери энергии
выражают обычно в децибелах (дБ) на
основании формулы:

Таким образом,
получим формулу

.
(5.17)

Из формулы (5.17)
видно, что направленность антенны КНД
выражают в дБ. В практических расчетах
любое математическое отношение можно
выразить децибелах. Для КНД, выраженного
в децибеллах следует использовать
формулу:

дБ,
(5.18)

где
– мощность, равная одному ватту, т.е.=1Вт.
Тогда отношениеполучается
безразмерной величиной.

Рассмотрим пример.

Определить величину
основных потерь при распространении
электромагнитной волны в свободном
пространстве в случаях:

а) длина волны
м
и расстояние между пунктами связиr=10
км;

б) длина волны
см
и расстояние между пунктами связиr=км.

Решение:
для определения величины основных
потерь используем формулы

Расчеты показали
следующие значения основных потерь:

а)
=39,3
или=15,9
дБ;

б)
=или=252
дБ.

Из полученных
значений заключаем, что логарифмическая
шкала является более удобной в
использовании, т.к. имеет существенно
меньшие пределы изменения значений.

При распространении
радиоволн в реальных условиях происходит
поглощение энергии волны и другие
потери. Например, в процессе распространения
земной волной происходят потери за счет
частичного проникновения волны в толщу
земной поверхности. Поэтому для учета
ослабления поля радиоволны в реальных
условиях вводят множитель ослабления
F.
В этом случае расчет действующего
значения напряженности поля в пункте
приема производят по формуле:

,
,
(5.19)

где
F
– множитель ослабления, r
– путь, проходимый волной от пункта
передачи до приемного пункта. Таким
образом, определить действующее значение
напряженности поля на конце радиолинии
можно, если будем знать значение множителя
ослабления. Задача определения множителя
ослабления F
является
главной при проектировании радиолиний.

Для расчета любой
трассы необходимо правильно выбрать
метод расчета множителя ослабления. В
дальнейшем рассмотрим некоторые методы
расчета радиотрасс.

Широко применяются
радиоволны, распространяющиеся земной
волной. Прежде чем приступить к изучению
метода расчета множителя ослабления F
для таких
радиолиний, обратим внимание на
особенности земной поверхности.

5.3. Учет
электродинамических параметров земной
поверхности

Распространение
земных радиоволн происходит непосредственно
вблизи поверхности, которая весьма
разнообразна. Это может быть и морская
поверхность, и пустыня, и лес, и застроенный
город и др. С точки зрения электродинамики
любая среда характеризуется относительной
диэлектрической проницаемостью ε,
относительной магнитной проницаемостью
μ и удельной проводимостью σ. В таблице
5.2
приведены
значения электрических параметров
различных видов земной поверхности.

Таблица 5.2
Электрические параметры различных
видов земной поверхности

Из таблицы
5.2
видно, что
электродинамические параметры среды
ε и σ зависят от длины волны (частоты)
используемого диапазона. При распространении
радиоволн возникает вопрос: с точки
зрения проводящих свойств, какой средой
является подстилающая поверхность? Как
известно, все среды по свойству
проводимости классифицируют на
проводники, диэлектрики и полупроводники.
Интересующий вопрос можно сформулировать
в виде: что представляет собой конкретная
подстилающая поверхность для радиоволны:
проводник, диэлектрик или полупроводник?

Ответ на поставленный
вопрос найдем с помощью первого уравнения
Максвелла, которое для полупроводящей
среды имеет вид:

.

Положим, что
напряженность электрического поля
изменяется по гармоническому закону в
виде
Выразим напряженность электрического
полячерез производную
по времени:

Подставляя в первое уравнение
Максвелла, получим

(5.20)

Как известно, для
диэлектрической среды уравнение
Максвелла имеет вид:

(5.21)

Сравнивая
уравнения (5.20) и (5.21) отмечаем, что можно
ввести абсолютную комплексную
проницаемость в виде

,
(5.22)

которая
играет роль диэлектрической проницаемости
полупроводящей среды.

В расчетах удобно
пользоваться относительной диэлектрической
проницаемостью, которая определяется
формулой

,

или
можно записать

,
(5.23)

где
λ – длина волны, ε – относительная
диэлектрическая проницаемость, σ –
удельная проводимость.

Напомним, что
плотность тока смещения определяется
,
плотность тока проводимости.

При распространении
радиоволны над конкретной поверхностью
Земли необходимо знать, какие из
плотностей токов (смещения или
проводимости) в ней преобладают. Найдем
отношение

,
или

(5.24)

На основании (5.24)
можно классифицировать вид подстилающей
поверхности следующим образом:

1. если
   >>,
   т.е. ε >> 60λσ, то подстилающая поверхность
   является диэлектриком;

2. если
   <<,
   т.е. ε << 60λσ, то поверхность является
   проводником (проводящей поверхностью);

3. если
   ≈,
   то поверхность является полупроводящей.

Таким
образом, чтобы выяснить над какой
поверхностью происходит распространение
радиоволн, необходимо сравнить между
собой ε и 60λσ.

1. Расчет
   радиотрассы УКВ диапазона земной
   волной над плоской поверхностью Земли

Наиболее простой
метод расчета радиотрассы применяют в
случае распространения радиоволн при
небольших расстояниях между пунктами
передачи и приема. Считаем поверхность
Земли является плоской и однородной на
протяжении всей трассы. Изучим метод
расчета такой трассы для УКВ диапазона,
в котором применяются поднятые антенны.

Поднятая антенна
– это антенна, у которой фидерный
(питающий) тракт не излучает и в высоту
антенны укладывается несколько длин
волн.

Рассмотрим трассу,
схема которой показана на рис.5.7.

Рис.5.7. Схема
радиотрассы УКВ диапазона.

Пусть в пункте
передачи А антенна поднята на высоту

,
в пункте приема В – на высоту
.
Б.А.Введенский в 1922 году предложил, что
в месте приема электромагнитное поле
можно рассматривать как интерференцию
двух лучей: прямого1
и отраженного от Земли 2.
Лучи, выходя из одного источника, являются
когерентными, поэтому в пункте В лучи
1 и 2 будут интерферировать между собой.

Действующее
значение напряженности поля подсчитаем
из известной формулы:

,
.

Задача сводится
к нахождению множителя ослабления F.

Мгновенное значение
напряженности поля прямого луча
определяется:

,
,
(5.25)

Мгновенное значение
напряженности поля отраженного луча:

,
,
(5.26)

где
– комплексный коэффициент отражения,– значение пути, проходимого отраженным
лучом,∆r
– разность хода между прямым и отраженным
лучом. Причем

Сделаем следующие
ограничения:

1. Считаем,
   что высоты, на которые подняты антенны
   существенно меньше расстояния между
   начальным и конечным пунктами радиолинии,
   т.е.
   
   << r,

   <<r,
   где r
   – расстояние между пунктами.

2. Считаем,
   что лучи 1 и 2 излучаются передающей
   антенной почти в одном направлении.
   Коэффициенты направленности для обоих
   лучей имеют одно значение.

3. Учтем,
   что отраженный луч проходит больший
   путь, т.е. разность хода составляет
   или набег фазы составляет.
   Кроме того, полагаем, что расстояния.
   Иными словами, расстояние, проходимое
   каждым лучом, можно считать равным
   расстоянию между пунктами А и В.

Учитывая сделанные
допущения, мгновенное значение
напряженности результирующего поля в
пункте В найдем

,
,
(5.27)

где

– угол изменения фазы при отражении, -набег фазы за
счет разности хода прямого и отраженного
лучей.

В формуле (5.27)
выполним преобразование сомножителя,
стоящего в квадратных скобках:

где

Тогда формула
(5.27) с учетом преобразования принимает
вид:

.(5.28)

Сравнивая формулу
(5.28) с формулой
заключаем, что множитель ослабленияF
определяется равенством:

(5.29)

где
R
– коэффициент отражения, Θ – фаза
коэффициента отражения, -набег фазы за
счет разности хода между лучами.

Действующее
значение напряженности результирующего
поля определяется формулой:

.(5.30)

В эту формулу
входят три неизвестные величины: R
– модуль коэффициента отражения, Θ –
угол изменения фазы при отражении, -разность хода
лучей.

Из электродинамики
известно, что R
и Θ можно определить, если знать угол
скольжения γ (рис.5.7). Можно показать,
что угол скольжения определяется:

,
(5.31)

где
– высоты антенн,r
– расстояние между пунктами передачи
и приема.

Разность хода определяется
выражением

.(5.32)

Из формулы (4.38)
видно, что множитель ослабления является
величиной переменной. В случае, когда
функция =1,значения множителя
ослабления являются максимальными
;
если
=-1,
то и множитель ослабления принимает
минимальные значения
.
Отсюда видно, что название множителя
ослабления носит условный характер. На
рис.5.8 показана зависимость множителя
ослабления от расстояния.

Рис.5.8. Зависимость
множителя ослабления от расстояния при
конечном значении коэффициента отражения.

Во многих случаях
формулу (5.29) можно упростить. Так, при
малых значениях угла скольжения γ для
большинства видов земной поверхности
коэффициент отражения можно принять
,
а угол изменения фазы при отражении.

Принимая указанные
значения
и,
можно после преобразования множителя
ослабления получить преобразованную
формулу множителя ослабленияF:

.
(5.33)

Формула (5.33)
характеризует интерференционную
структуру поля. Изменение расстояния
r,
как видно из формулы (5.33), приводит к
чередованию максимальных и минимальных
значений синуса. Можно определить такие
расстояния r
, на которых
множитель
ослабления принимает только максимальные
или минимальные значения.

Максимальные
значения множитель ослабления F
достигает на расстояниях

,
(5.34)

где
n=0,1,2,…
Первый максимум наблюдается со стороны
больших расстояний, т.е.

Минимальное
значение множителя ослабления F
достигается на расстояниях:

.
(5.35)

Первый минимум
расположен на расстоянии
от передатчика.

Из формулы (5.35)
видно, что максимальное значение
множителя ослабления соответствует
,
минимальное –.
На рис.5.9 показан график зависимости
множителя ослабленияF
от расстояния при R=1.

Рис.5.9. Зависимость
множителя ослабления от расстояния при
R=1.

Формулы для расчета
напряженности поля в пункте приема
называют интерференционными
формулами.

1. Расчет
   радиотрасс СВ, ДВ, СДВ диапазонов при
   распространении земными волнами

Очевидно, что для
диапазонов волн СВ, ДВ, СДВ , приведенный
выше метод расчета неприемлем. Для таких
диапазонов разработан иной метод
расчета, учитывающий принципиальные
особенности, свойственные именно
перечисленным диапазонам. В чем
заключаются эти особенности?

Установлено, что
для перечисленных выше диапазонов
свойственны следующие особенности:

1) при работе в СВ,
ДВ, СДВ диапазонах применяют антенны,
расположенные вблизи земной поверхности;

2) в перечисленных
диапазонах земная волна распространяется
над земной поверхностью, обладающей
проводящими свойствами, т.к. выполняется
неравенство ε
<< 60λσ. В
этом случае волна не может распространяться
в земной поверхности, следовательно,
вся энергия волны распространяется в
верхней полусфере. В результате значение
модуля вектора Пойнтинга увеличивается
в два раза, а напряженность поля в
.
В этом случае действующее значение
напряженности поля для СВ, ДВ, СДВ
диапазонов определяется формулой

(5.36)

Формула (5.36)
называется формулой
идеальной передачи
или формулой Шулейкина-ван-дер-Поля.

Рассмотрим метод
расчета действующего значения
напряженности поля в пункте приема В,
причем антенны расположены вблизи
поверхности Земли (рис.5.10).

Рис.5.10. Схема
радиотрассы земной волной для СВ-СДВ
диапазонов.

В пункте передачи
А непосредственно у поверхности земли
расположена антенна передатчика. Вдоль
поверхности, обладающей диэлектической
проницаемостью ε
и удельной проводимостью σ,
распространяется электромагнитная
волна. Для расчета напряженности поля
по формуле (5.36) необходимо определить
множитель ослабления.

Множитель ослабления
F
является функцией безразмерного
параметра x,
который называют численным расстоянием
и определяют:

(5.37)

где
r
– расстояние между пунктами передачи
и приема, s
– масштаб расстояний,
– комплексная диэлектрическая проницаемость
подстилающей поверхности,.

Подставляя значение
относительной комплексной диэлектрической
проницаемости, получим из формулы (5.37)
значение x:

.
(5.38)

В зависимости от
вида поверхности формулу (5.38) можно
видоизменить. В таблице 5.3 приведены
конкретные виды поверхности и
соответствующие каждой из них формулы
расчета численного расстояния x.

Таблица 5.3. Формулы
расчета численного расстояния x
для различных
видов

земной
поверхности.

№	Вид поверхности	Соотношение между параметрами поверхности	Формула расчета численного расстояния x
1 2 3	Диэлектрик Проводник Диэлектрик	ε >> 1 60λσ >> ε ε >> 60λσ

В приведенные
формулы расчета x
(таблица 5.3) необходимо подставлять
значения входящих величин, измеренных
в Международной системе СИ. Определив
численное значение x,
находят множитель ослабления F
по графикам Берроуза, приведенным на
рис. 5.11.

По оси абсцисс
отложены значения 2х,
по оси ординат – множитель ослабления
F.
Графики множителя ослабления приведены
для двух видов поляризаций: вертикальной
и горизонтальной при разном параметре
Q.
Параметр Q
определяет отношение плотности тока
смещения к плотности тока проводимости
.
Из рис.5.11 видно, что при малых значенияхх
все кривые стремятся к значению F=1.
Для значений х>25
кривые зависимостей множителя ослабления
сливаются.

Если при расчете
под руками не оказалось графиков
Берроуза, то множитель ослабленияF
можно вычислить по приближенной формуле

(5.39)

где
х
– численное расстояние.

Если значение
х>25,
то формула (5.39) принимает вид:

(5.40)

Формулой
Шулейкина-ван-дер-Поля можно пользоваться
при небольших расстояниях радиолинии,
когда влиянием Земли можно пренебречь.

Сравнение результатов
экспериментальных данных и выполненных
теоретических расчетов позволило
выявить ориентировочные значения
максимальных расстояний, при которых
применим расчет с помощью
Шулейкина-ван-дер-Поля. В таблице 5.4
приведены эти значения расстояний.

Таблица 5.4.
Максимальные
расстояния, для которых применим метод

Шулейкина-ван-дер-Поля.

Диапазон волн, м	Значение расстояний для середины диапазона, км
200÷20000 50÷200 10÷50	300÷400 50÷100 10

Таким
образом, для расчета радиотрассы
диапазонов
волн СВ, ДВ, СДВ применяют
метод Шулейкина-ван-дер-Поля.

Возникает вопрос:
на какие расстояния могут распространяться
земные волны? При каких условиях следует
применять методы расчета земных волн?
Для ответа на поставленные вопросы
необходимо установить количественное
соотношение, т.е. граничное условие
применимости методов. К изучению
поставленного вопроса перейдем с помощью
нахождения расстояния прямой видимости.

1. Определение
   расстояния прямой видимости

Расстояние
прямой видимости
– это расстояние между пунктом передачи
и приема радиоволн, определяемого по
длине касательной, соединяющей эти
пункты.

На рис.5.12 показано
расстояние прямой видимости

Рис.5.12. Схема для
расчета расстояния прямой видимости.

Радиус Земли
обозначен а=6370
км, точка С
является точкой касания прямой АВ на
Земле. Высота передающей антенны
обозначена
,
высота приемной антенны.
Расстояния АС и СВ являются катетами
прямоугольных треугольников ∆АСО и
∆ОСВ.

Таким образом,
расстояние прямой видимости определяется

,(5.41)

где
а
– радиус Земли,
,– высоты антенн.

Входящие в формулу
(5.41) величины измеряются в системе СИ.
На практике радиус Земли удобно измерять
в километрах. В этом случае формула
(5.41) принимает вид:

,км(5.42)

Подчеркнем, что
формула (5.42) позволяет рассчитать
расстояние прямой видимости, выраженное
в километрах. Значение расстояния прямой
видимости позволяетустановить условие
применимости методов расчета радиотрассы
земными волнами.

Если длина
радиотрассы
,
то применим метод расчета трассы земной
волной для соответствующего диапазона
волн. Если расстояниеr
заключено в пределах ,то такая область
называется зоной полутени. Если r>1,2,то эта область
называется зоной тени. Для расчета
трассы, длина которой попадает в область
полутени и тени, применим дифракционный
метод расчета, т.к. происходит огибание
волнами поверхности Земли.

Представляет
интерес распространение радиоволн в
нижнем слое атмосферы – тропосфере, к
изучению которого мы приступаем.

1. Влияние
   тропосферы на распространение земных
   волн

Тропосфера
– это нижний
слой атмосферы. Граница тропосферы
простирается в полярных широтах до
высоты 8-10 км, в тропиках – до 16-18 км.
Тропосфера имеет постоянный относительный
состав воздуха (только содержание
водяных паров, зависящее от метеоусловий,
резко уменьшается с высотой).

Важнейшее свойство
тропосферы – убывание температуры с
высотой, среднее значение градиента
температуры составляет 5 град/км. Убывание
температуры с высотой связано с тем,
что тропосфера почти прозрачна для
солнечных лучей, поэтому она пропускает
лучи, которые нагревают земную поверхность.
Нагретая поверхность Земли, являясь
источником тепловой радиации, прогревает
тропосферу снизу вверх.

Для тропосферы
вводят понятие нормальной
тропосферы,
т.е. тропосферы с параметрами, выражающими
среднее ее состояние. Нормальной
тропосфере приписывают следующие
параметры: у поверхности Земли давление
составляет Р=1013
мбар,
температура
,
относительная влажность воздухаS=60%.
Тропосферу рассматривают в виде смеси
газов: сухого воздуха и водяного пара.

Состояние тропосферы
описывается коэффициентом преломления
тропосферы, который для нормальной
тропосферы равен n=1,000325.
Видно, что таким значением пользоваться
неудобно (изменяются только последние
три цифры), поэтому ввели индекс
преломления, который определяется
соотношением:

,
(5.43)

где
n
– коэффициент преломления.

Индекс преломления
для нормальной тропосферы составляет
,
т.е.N=325.

Коэффициент
преломления, соответственно, и индекс
преломления зависят от состояния
тропосферы. Для волн длиннее λ
> 0,1 мм индекс
преломления выражается формулой

(5.44)

где
Т
– температура, Р
– давление, е
– абсолютная влажность воздуха.

Индекс преломления,
как видно из формулы (5.44), изменяется с
высотой, т.к. меняется температура,
давление и содержание водяных паров.
Для нормальной тропосферы градиент
индекса преломления составляет
,.
Для практических расчетов используют
значение

Тропосферу
необходимо рассматривать как неоднородную
диэлектрическую среду, коэффициент
преломления n
которой (значит и скорость распространения
радиоволн) меняется с высотой. Т.к.
тропосфера представляет собой неоднородную
среду с меняющимся коэффициентом
преломления, то ее можно рассмотреть
как совокупность плоских слоев воздуха.
Для каждого слоя имеется свое значение
коэффициента преломления. Для двух
соседних слоев коэффициенты преломления
будут отличаться. В этом случае на
границе раздела двух сред будет
происходить явление преломления
электромагнитных волн (рис.5.13).

Рис.5.13. Схема
преломления радиоволны на границе
раздела двух сред

На основании
явления преломления волна будет
отклоняться от прямолинейного
распространения. В результате преломления
траектория волны искривляется. Для
характеристики кривизны траектории
вводят понятие радиуса
кривизны траектории,
который определяется

,
(5.45)

где
-градиент индекса
преломления.

Формула (5.45)
показывает, что радиус кривизны луча
определяется не абсолютным значением
коэффициента преломления, а быстротой
изменения его с высотой. Знак минус в
формуле (5.45) указывает, что радиус
кривизны будет положительным, т.е.
траектория обращается выпуклостью
вверх, если коэффициент преломления
уменьшается с высотой.

Для нормальной
тропосферы радиус кривизны траектории
составляет

Выше, рассматривая
распространение земных волн, предполагали,
что они распространяются прямолинейно.
В действительности, следует учитывать
явление рефракции, приводящее к отклонению
луча от прямолинейного распространения.
Как учитывать рефракцию в реальных
условиях распространения радиоволн?

Существует
упрощенный способ учета влияния
атмосферной рефракции. Суть предложенного
способа заключается в том, что хотя
электромагнитные волны в действительности
распространяются по криволинейным
траекториям, предположим, что
распространение происходит прямолинейно.
Причем радиоволны распространяются не
над земной поверхностью, а над некоторой
воображаемой поверхностью, имеющей
эквивалентный радиус
(рис.5.14).

Рис.5.14. Траектория
радиоволны: а – реальная поверхность; б
– воображаемая поверхность.

Введем понятие
относительной кривизны, которое
определяется
,
гдеa
– радиус Земли, R
– радиус кривизны траектории. Определим
эквивалентный радиус
из условия равенства кривизны для
случаева
и б,
изображенных на рис.5.14, т.е. запишем
равенство

(5.46)

где
а – радиус земной поверхности, R
– радиус траектории,
– эквивалентный радиус поверхности, ∞
выражает радиус кривизны прямого луча.

Из равенства (5.46)
выразим

(5.47)

или, подставив
радиус кривизны траектории, получим

.
(5.48)

Введем отношение
эквивалентного радиуса к радиусу Земли:

(5.49)

Для нормальной
тропосферы
≈8500км,
к=4/3.

Как реально учесть
рефракцию в радиотрассе?

Прежде всего,
рефракция учитывается при определении
расстояния прямой видимости в этом
случае формула расчета расстояния
прямой видимости имеет вид

.(5.50)

Для нормальной
атмосферной рефракции расстояние прямой
видимости определяется выражением

.
(5.51)

Таким образом,
основные физические величины, с помощью
которых учитывается рефракция, сводятся
к следующим:

Все перечисленные
величины зависят от градиента индекса
преломления ,который изменяется
в достаточно широких пределах. В
зависимости от значения градиента рефракция проявляется
по-разному, поэтому рефракцию классифицируют
на три группы: отрицательную, нулевую
и положительную.

Отрицательная
рефракция
– это
рефракция, при которой градиент индекса
преломления увеличивается, т.е. >
0.

Положительная
рефракция
– это
рефракция, при которой градиент индекса
преломления уменьшается, т.е. <
0.

Нулевая рефракция
– это
отсутствие рефракции, т.е.=
0.

В таблице 5.5
приведены основные характеристики
разных видов рефракций.

Таблица 5.5.
Классификация различных видов рефракции.

В таблице 5.5
приведены также действительные и
эквивалентные траектории радиоволн.
Отметим, что режим сверхрефракции
возникает в ограниченной области высот
тропосферы, где <-0,157
1/м, т.е. индекс
преломления убывает значительно быстрее,
чем при нормальной рефракции.

1. Распространение
   радиоволн в условиях пересеченной
   местности и при наличии препятствий

Выше рассмотрены
методы расчета радиотрасс, проходящих
над плоской поверхностью Земли. В
реальных условиях типичным ландшафтом
материков является холмистая или
слабопересеченная местность. Степень
пересеченности местности определяется
соотношением между длиной волны λ и
высотой холмов
.
В условиях работы на ДВ и СВ диапазонах
слабопересеченную местность с высотой
холмовможно считать гладкой поверхностью. В
диапазоне УКВ ту же местность следует
считать пересеченной.

В пересеченной
местности холмы перекрывают область
пространства, в которой происходит
распространение электромагнитного
поля, т.е. они экранируют область
распространения электромагнитного
поля, и тем самым вызывают эффект
ослабления волны. Задача проектирования
линии связи сводится к такому расположению
антенн в пунктах передачи и приема,
чтобы не происходило экранирования
энергии поля.

Типичные условия,
в которых проходит радиорелейная линия,
показаны на рис. 5.15.

Рис. 5.15

Пусть пункт передачи
размещен в точке А, пункт приема – в
точке В, в промежуточных точках РРЛ,
соответствующих C,D
расположены смежные станции. Энергия
волны, заключенная в заштрихованной
области (рис. 5.15), представляет зону
Френеля.

Обозначим через
расстояния между холмами, тогда радиусы
первой зоны Френеля над точкамиC
и D
находятся из формул:

и

Высоты антенн в
пунктах А и В надо выбрать с таким
расчетом, чтобы «просветы» над холмами
C
и D
превышали значения
и .

В расчетах следует
учитывать сферичность Земли. Проще это
можно сделать графическим методом. В
основу построения положена формула для
дальности горизонта, имеющая вид

(5.52)

Формула (5.52) является
уравнением параболы, по оси абсцисс х
отсчитываются расстояния, по оси ординат
y
– высоты. Профиль гладкой поверхности
Земли рассчитывают по формуле:

(5.53)

где
r
– общая длина линии связи.

В расчетах необходимо
учитывать, что Земля с точки зрения
геометрии является параболоидом
вращения. Поэтому для учета кривизны
поверхности Земли необходимо использовать
масштабную сетку. На рис. 5.16 показана
масштабная сетка для построения земной
поверхности.

Рис. 5.16 Масштабная
сетка для построения земной поверхности

На сетку необходимо
нанести профиль радиотрассы, с помощью
которой можно определить необходимые
высоты антенн, применяемых для обеспечения
зоны прямой видимости между пунктами
А и В. Пример такого профиля трассы
показан на рис. 5.17.

Рис. 5.17 Пример
профиля трассы

На рис. 5.17 видно,
что прямая АВ, проведенная между пунктом
передачи и приема, проходит выше вершин
холмов, расположенных на пути радиоволны.

1. Распространение
   радиоволн при наличии на пути экранирующих
   препятствий

Пусть на пути между
пунктами передачи и приема существует
резко выраженное какое-либо препятствие.
Рассмотрим случай, когда такое препятствие
можно рассматривать в виде клиновидного
непрозрачного препятствия. На рис. 5.18
приведены примеры таких препятствий,
возникающих на пути АВ.

Н < 0

Н > 0

Рис. 5.18 Примеры
расположения клиновидных припятствий

На рис. 5.18а
препятствие не пересекает прямую АВ, а
только вклинивается в область пространства
в которой распространяется основная
часть энергии волны. На рис. 5.18б препятствие
пересекает прямую АВ. Для разграничения
таких случаев условились считать, что
просвет Н
будет принимать различные знаки, т.е. в
случае рис. 5.18а просвет имеет отрицательный
знак Н<0,
в случае рис. 5.18б – положительный Н>0.

В расчете радиотрасс
для таких случаев применяют теорию
оптической дифракции. Множитель
ослабления F
рассчитывают по формуле

(5.54)

где
аи-интегралы
Френеля, определяемые соответственно
по формулам

(5.55)

где
параметр
b
– радиус первой зоны Френеля в месте
расположения препятствия, Н
– высота экрана, которая может принимать
положительные и отрицательные значения
(рис. 5.18).

Расчет множителя
ослабления F
по формулам (5.54) показывает, что зависимость
от параметра v
имеет вид, приведенный на рис. 5.19.

Рис. 5.19

Если параметр v>2,
то множитель ослабления можно рассчитать
по формуле

(5.56)

Для расчета
радиотрассы УКВ диапазона следует
учесть следующие обстоятельства. На
краю непрозрачного клиновидного экрана
происходит дифракция. Причем дифрагирует
не только прямая волна АВ, но и волны
отраженные от поверхности Земли на
участках между передающей антенной и
экраном. Таким образом, в пункте приема
В происходит сложение (интерференция)
пришедших волн.

В принципе может
случиться, что фазовые соотношения
приобретут такие значения, что
напряженность поля в месте расположения
приемной антенны будет в несколько раз
превышать поле, созданное одним лучом.

Отметим, что форма
встречаемых препятствий весьма
многообразна и в настоящее время пока
не создано надежных аналитических
методов расчета радиотрасс.

Рекомендуемая
литература

1. Бредов
   М.М., Румянцев В.В., Топтыгин И.Н.
   Классическая электродинамика. – СПб.:
   Изд-во «Лань», 2003. – 400 с.

2. Головин
   О.В., Чистяков Н.И., Шварц В., Хардон Агиляр
   И. Радиосвязь. – М.: Горячая линия
   –Телеком, 2001. – 288 с.

3. Петров
   Б.М. Электродинамика и распространение
   радиоволн. – М.: Радио и связь, 2000. – 559
   с.

4. Боков
   Л.А. Электродинамика и распространение
   радиоволн. Электромагнитные поля и
   волны. – Томск: Томский межвузовский
   центр дистанционного образования,
   2001. – 217 с.

5. Крыжановский
   В.Г. Техническая электродинамика. –
   Донецк: ДонГУ, 2003. – 116 с.

6. Долуханов
   М.П. Распространение радиоволн. –
   М.:Связь, 1972. – 336 с.

7. Баскаков
   С.И. Основы электродинамики. – М.:Сов.
   радио , 1973. – 248 с.

8. Никольский
   В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и
   распространение радиоволн. – М.: Наука,
   1989. – 544 с.

9. Красюк
   Н.П., Дымович Н.Д. Электродинамика и
   распространение радиоволн. – М.: Высшая
   школа, 1974. – 536 с.

10. Фальковский
    О.И. Техническая электродинамика.
    Учебник для вузов связи. – М.: Связь,
    1978. – 432 с.

11. Гольдштейн
    Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля
    и волны. – М.:Сов. радио, 1971. – 664 с.

12. Кугушев
    А.М., Голубева Н.С., Митрохин В.Н. Основы
    радиоэлектроники. Электродинамика и
    распространение радиоволн. – М.: Изд-во
    МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2001. – 368 с.

13. Диденко
    А.Н., Зверев Б.В. СВЧ – энергетика. – М.:
    Наука, 2000. – 264 с.

14. Фельдштейн
    А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник
    по элементам волноводной техники. –
    М.-Л.: Государственное энергетическое
    издательство, 1963. – 360 с.

122

На дальность радиосвязи влияют следующие факторы:

• Длина волны
• Высота “подвеса” антенн (приемной и передающей)
• Рельеф местности
• Влияние окружающей среды (солнечная активность, сезон, время суток и т.д.)

Длинна волны

​Различают следующие диапазоны волн:

• Длинные волны
• Средние волны
• Короткие волны
• Ультракороткие волны

Длинные волны (далее ДВ) – это электромагнитные волны длиннее 3000 м (частота колебаний менее 100 КГц). Они сравнительно хорошо огибают земную поверхность за счет явления дифракции радиоволн. По мере удлинения волны уменьшаются потери энергии в почве (воде) и улучшаются условия отражения радиоволн от ионосферы, что приводит к увеличения дальности действия радиостанции. При расстоянии менее 100 км до передатчиков ДВ преобладают сигналы, распространяющиеся вдоль земной поверхности, а на больших расстояниях решающую роль играют сигналы, отраженные от ионосферы.

Средние волны (далее СВ) – это электромагнитные волны длиной от 3000 до 200 м, что соответствует частотам 100 – 1500 КГц. Энергия СВ очень сильно поглощается в почве и морской воде (с укорочением длины волны поглощение увеличивается).

Короткие волны (далее КВ) – это электромагнитные волны длиной от 200 до 10 м, что соответствует частоте колебаний от 1.5 МГц (1500 КГц) до 30 МГц. Основной особенностью распространения КВ является их способность отражаться от ионосферы при сравнительно небольших потерях. Отраженная от ионосферы волна, на больших отдалениях от передатчика возвращаются на землю, что и позволяет установить радиосвязь между точками,закрытыми друг от друга выпуклостью земного шара.

Ультракороткие волны (далее УКВ) – это радиоволны короче 10м, что соответствует электромагнитным колебаниям с частотой более 30 МГц. УКВ в обычных условиях не отражаются от ионосферы. Прямые волны, распространяющиеся вблизи поверхности земли, сильно ею поглощаются. Диапазон УКВ принято разбивать на: метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые.

Высота подвеса антенны

Зона уверенного приема УКВ определяется расстоянием прямой видимости от передающей антенны до приемной. В связи с тем, что поверхность Земли шарообразна (радиус 6370 км), можно использовать приблизительную формулу для определения максимальной дальности, соответствующей прямой видимости:

Пример:

У нас имеются 2 антенны

1 антенна на 25 метров, 2 антенна на 30 метров

Подставляем эти числа в формулу, вычетам квадратный корень и умножаем на 3.57

И получаем приблизительную максимальную дальность в 26.4 км.

Из данного примера видно, что чем выше подняты антенны, тем дальше прием.

Рассчитать максимальную дальность можно здесь

Рельеф местности

Формула не учитывает рельефа местности и предполагает, что антенны установлены на идеально гладкой поверхности. Кроме того, при распространении радиоволн УКВ диапазона все-таки имеет место и дифракция и рефракция радиоволн. Область, в пределах которой оказывается возможным уверенный прием радиосигнала, можно разбить на 2 зоны: прямой видимости и полутени.

Таким образом, получаем, что на распространение радиосигнал УКВ диапазона влияет в большей степени высота подвеса антенн. Для увеличения дальности распространения УКВ диапазона в области полутени необходимо применять высокоэффективные направленные антенны, высокочувствительное приемопередающее оборудование, кабели с низкими потерями.

Для портативных радиостанций мы ограниченны ростом человека использующего рации (не более 2 метров за редким исключением).

В данных условиях, самыми важными становятся следующие факторы:

• соответствие кратности габаритных размеров устройства к используемой длине волны
• мощность излучения радиостанции
• чувствительность приемника устройства
• хорошая согласованность между выходным трактом рации и антенной

Поэтому очень важно приобретать носимые рации производителей, которые не экономят на научных исследованиях и тестах, а разобраться в этом мы сможем вам помочь.

Компания Радиоцентр за свою более 25-летнюю историю протестировала модели всех известных производителей радиосвязи и сможет помочь вам сделать оптимальный выбор средств радиосвязи под вашу задачу.

Радиоволна – это взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей, которые способны распространяться в пространстве со скоростью света. Они обладают такими свойствами как отражение, затухание, преломление. Радиодиапазон составляют волны с длинами от 0,1 мм до 100 км. Волны короче 0,1 мм относят к оптическим, длиннее 100 км используют исключительно в научных целях.

Радиоволна и ее особенности

Радиоволна создается при изменении электрического либо магнитного поля. Для ее создания используются специальные электромагнитные генераторы. Каждая волна изначально обладает запасом энергии, которую переносит через пространство. Она может терять энергию – такой процесс называется затуханием.

Электромагнитные волны характеризуются следующими параметрами:

• длиной;
• мощностью;
• частотой.

В зависимости от скорости изменения направления электрического (либо магнитного) поля можно определить частоту волны, которая измеряется в Герцах (Гц). Чтобы определить длину волны, необходимо знать расстояние между точками, где поле находится в одной фазе. Частота и длина волны – взаимно обратные величины. Знание длины волны очень важно для правильного выбора размера передающей антенны.

Важным свойством электромагнитных волн является то, что они не встречая сопротивления проходят через воздух и могут свободно распространяться в пространстве. Однако, если волна встречает на пути металлические объекты, а также любой другой проводящий электричество материал, то она теряет часть своей энергии, ее мощность падает, а в проводнике генерирует переменный ток. Также часть энергии волны отражается от проводника – данный принцип лег в основу радиолокации.

Дальность связи зависит от мощности передатчика генерирующего электромагнитную волну. Именно это устройство передает волне запас энергии, которую та будет расходовать при распространении. Запас будет уменьшаться при контакте с поверхностью планеты, а также при взаимодействии с различными объектами. Однако, дальность распространения будет зависеть не только от запаса энергии, но и от других свойств – в первую очередь, от длины волны.

Распространение радиоволн, расстояние и длина волны

Радиоволны распространяются в пространстве различным образом. Способ их движения в первую очередь зависит от их длины. Так, например, волны от 10 км и выше (сверхдлинные – СДВ) без труда огибают наземные препятствия как искусственного, так и естественного происхождения. Они теряют мало энергии в процессе своего распространения и затухают гораздо медленнее, чем волны других длин. По этой причине они могут перемещаться в пространстве на тысячи километров. Также они обладают высокой степенью проникновения в среду, поэтому их широко используют для исследований земной коры для нужд археологии, геологии, инженерного дела. Их применяют для исследования атмосферы планеты. Также с их помощью осуществляют связь с подводными объектами.

Километровые волны также называют «длинные» (ДВ), они составляют 1-10 км и тратят больше энергии при распространении, способны покрывать расстояния до 2000 км. Близкий к ним тип – средние (СВ) от 100 м до 1 км. Они сильнее поглощаются земной поверхностью, поэтому имеют еще меньший диапазон распространения – порядка 1000 км.

Короткие волны (КВ – 10-100 м) распространяются не далее чем на 250 км, однако обладают интересным свойством. Часть их, уходящая под большим углом к горизонту, соприкасаясь с верхними слоями атмосферы (ионосферой) отражается и направляется обратно к поверхности. Затем они снова отражаются, теперь уже от земли и снова направляются вверх. Распространяясь таким образом короткие волны могут несколько раз обойти вокруг планеты. Ионосфера теряет свою отражательную способность в ночное время, поэтому связь на коротких волнах в это время суток будет хуже.

Длина ультракоротких волн (УКВ) составляет от 1 см до 10 м, к ним относятся метровые (МВ), дециметровые (ДМВ), сантиметровые (СМВ). Они успешно преодолевают ионосферу не отражаясь от нее. Они уходят выше и применяются для исследования свойств облаков, наблюдения за птицами, определения координат самолетов. Но так как отсутствует эффект отражения, они не могут огибать планету и радиосвязь с их помощью ограничена расстоянием в 200-300 км. С помощью специальных антенн УКВ собирают в «пучок», усиливают и отправляют в указанном направлении, что широко используется при обеспечении спутниковой связи, а также в радиолокации.

Миллиметровые волны (ММВ) во многом схожи с УКВ, однако для них серьезной помехой служат атмосферные явления, такие как дождь, снег, туман, облака. За счет ММВ обеспечивается работа высокоскоростной радиорелейной связи. Они нашли свое применение в быту, их используют в медицине, они пригодились в радиоастрономии.

Оборудование применяемое для передачи радиоволн, способы увеличения дальности

Радиосвязь – быстрый и относительно надежный способ передачи данных на большие расстояния. При этом нет необходимости в использовании физического носителя, например проводов.

Свойства волн разной длины напрямую влияют на их применение для обеспечения радиосвязи. Кроме того, на качество передачи информации с их помощью влияют следующие факторы:

• Высота приемной и передающей антенн;
• Рельеф поверхности;
• Солнечная активность, метеоусловия, время суток.

Процесс приема-передачи информации с помощью радиоволн состоит из следующих основных этапов:

• формирование сигнала;
• выделение несущей частоты;
• связывание передаваемой информации с несущей частотой (модуляция);
• трансформация сигнала в дискретный вид, его кодирование (для цифровых систем);
• передача в радиоэфир с помощью антенны;
• прием сигнала;
• декодировка и демодуляция;
• преобразование сигнала в форму понятную абоненту.

Чтобы реализовать обмен информации необходимо чтобы у принимающей и передающей стороны в наличии было следующее оборудование:

• Передатчик;
• Антенна;
• Ретрансляционное устройство – позволяет увеличить дальность передачи сигнала;
• Принимающее устройство;
• Оборудование модуляции-демодуляции, сжатия, оцифровки и кодирования;
• Фильтры помех, усилители.

Две простейшие радиостанции, как правило, могут обмениваться информацией на очень небольших расстояниях. Чтобы значительно увеличить зону покрытия, необходимо использовать один из следующих методов:

• сеть ретрансляторов, установленных на поверхности планеты;
• орбитальные спутники;
• системы передвижной радиосвязи.

Применяется несколько способов радиосвязи, для каждого из которых используется специфическое оборудование. Три наиболее распространенных вида:

• Сотовая связь;
• Радиорелейная связь;
• Спутниковая связь.

Сотовая связь

При ее использовании сигнал идет от передатчика к приемникам, расположенным на одинаковом расстоянии друг от друга. Они образуют гексагональную фигуру, которую называют «сота». Такое построение сети позволяет обеспечить в области покрытия высокое качество сигнала, которое будет определяться количеством приемников расположенных рядом с местом приема или передачи. В настоящее время этот вид связи является наиболее популярным и чаще всего используемым. Роль приемника и передатчика здесь играет персональный телефонный аппарат. Основное преимущество сотовой связи – обеспечение высокой мобильности абонента.

Радиорелейная связь

Вид радиосвязи, осуществляемой с помощью цепочки передающих станций, находящихся в прямой видимости их антенн. Работают в дециметровом и сантиметровом диапазонах. Возможна одновременное функционирование большого количества передатчиков. Уровень индустриальных и атмосферных помех радиоприему в ДМ и СМ диапазонах низкий. Главный недостаток – ограниченное расстояние передачи и высокая степень зависимости от коммуникационной инфраструктуры – сети ретрансляторов.

Как правило на передающих станциях размещается большой комплекс передающих устройств, находящихся в едином техническом здании. Они применяют общие источники электроэнергии, антенны и их опоры. На каждом объекте создается несколько стволов связи, что позволяет значительно повысить пропускную способность станции, что позволяет реализовать многоканальную связь.

Спутниковая связь

Данный вид – это следующий этап развития радиорелейной связи. Вместо наземной коммуникационной сети используются спутники, расположенные на околоземных орбитах. Радиосигнал сигнал передается со специализированной станции, находящейся на поверхности планеты на космический аппарат. Здесь он обрабатывается, усиливается и отправляется либо на принимающую наземную станцию, либо на другой спутник, находящийся в радиусе действия. Главным достоинством данного вида связи является возможность передавать информацию в любую точку планеты – независимо от ее местоположения: на суше, в полярных льдах, посреди океана.

Сферы применения

Возможность практически мгновенной передачи информации на любые расстояния создает широкие возможности использования во всех сферах деятельности человека. Радиосвязь успешно применяется в следующих отраслях:

• Телевизионное и радиовещание;
• Качественная связь по безопасным линиям востребована в военной отрасли. Позволяет осуществлять управление и координацию боевых подразделений;
• В области транспорта – обеспечивается постоянная связь с поездами, морскими и речными судами, самолетами, грузовыми и легковыми автомобилям (полиция, скорая помощь, такси, курьерские службы);
• Организация диспетчерских служб;
• Обеспечение различных видов коммуникации: спутниковая, мобильная связь;
• Беспроводное подключение к сети Интернет.

Также широкие возможности коммуникации являются неотъемлемым инструментом практически любого современного бизнеса. При помощи беспроводной связи можно успешно решать вопросы управления удаленными объектами.

Алгоритмы кодирования и декодирования, методики защиты информации

При передаче сообщений посредством радиоволн, необходимо преобразование обычной звуковой информации. Изначальный сигнал подвергается нескольким последовательным трансформациям, в том числе кодируется. Затем передается. А на принимающем устройстве осуществляется его декодирование и преобразование в аналоговую форму.

Кодирование сигнала при радиопередаче используется для нескольких целей. Одна из них – повышение помехоустойчивости. Это необходимо, так как на радиосигнал во время его перемещения воздействуют различные физические явления. Они могут изменять данные, вносить в них ошибки. Поэтому к каждому сообщению добавляют определенное количество битов, между значениями которых имеется заданная алгебраическая взаимосвязь. Анализ этих данных с помощью встроенного декодера дает возможность системе обнаружить и исправить ошибки, возникшие при передаче радиосигнала.

У силовых ведомств, частных служб охраны и безопасности, а также других организаций возникает необходимость защитить данные от несанкционированного доступа. Применяется два основных метода: дискретизация с шифрованием, а также аналоговое скремблирование.

Дискретизация с шифрованием объединяет наиболее прогрессивные методы закрытия речи связанные с переводом сигнала в цифровой вид. Используются различные криптографические алгоритмы. Чаще всего применяются вокодеры с линейным предсказанием речи (ЛПР). Кусочно линейная аппроксимация процесса является основой используемого алгоритма. Каждый кодируемый фрагмент представляет собой линейную функцию от фрагментов предыдущих. Речевая информация задается тремя параметрами: периодом основного тона, амплитудой, решением «тон/шум».

В целом же существует два основных подхода к шифрованию речи, передаваемой в цифровом виде:

• с использованием специального шифратора и дешифратора на передающем и принимающем устройстве, либо за счет программно-аппаратного комплекса;
• функции шифрования реализуются с помощью устройства модуляции-демодуляции – модема.

В средствах аналогово связи защита данных достигается за счет использования аналоговых скремблеров. Они трансформируют первоначальный звуковой сигнал в неразборчивую смесь звуков, что не позволяет злоумышленникам понять смысл передаваемых данных. Применяются следующие виды преобразования:

• Частотная инверсия;
• Разбиение полосы частот на поддиапазоны и их перестановка по частоте или инверсия;
• Разбиение речи на сегменты и их перестановка по времени.

Одним из критериев оценки эффективности работы скремблера является остаточная разборчивость – это параметр характеризует возможность дешифрации данных техническими средствами и оценивается в процентах восстановленной информации. При простых и недорогих методах защиты может составлять от 10 до 50%. Другой критерий – качество сигнала восстановленного в принимающем устройстве. Достаточным качеством является сигнал, который позволяет без труда выделить голос и понять смысл сообщения.

Частоты и каналы

Классификация радиоволн подразумевает разделение на 8 типов по длине и частоте:

• ОНЧ (они же СДВ) – 3-30 кГц (100-10 км);
• НЧ (они же ДВ) – 30-300 кГц (10-1 км);
• СЧ (они же СЧ) – 300-3 МГц (1 км-100 м);
• ВЧ (КВ) – 3-30 МГц (10-100 м);
• ОВЧ (МВ) – 30-300 МГц;
• УВЧ (ДМВ) – 300 МГц-3 ГГц;
• СВЧ (СМВ) – 3-30 ГГц;
• КВЧ (ММВ) – 30-300 ГГц.

Для переговоров в РФ разрешены следующие диапазоны частот:

• CB, 26-27 МГц;
• LPD, 433-434 МГц;
• PMR, 446 МГц;
• И 144-146 МГц – для лицензированных радиооператоров.

Остальные диапазоны законодательно запрещены к использованию. Они выделяются для служебных нужд различных ведомств и их использование может повлечь за собой административное или уголовное наказание – в зависимости от тяжести последствий несанкционированного вмешательства.

Для удобства общения, чтобы максимально упростить использование радиосвязи, были выделены определенные частоты. Они были пронумерованы так, что их стало не сложно запомнить и настроить. Эти номера и называют – каналы радиосвязи. Во многих простейших моделях раций нет ни клавиатуры, ни ручек настройки для установки произвольной частоты – только кнопки позволяющие переключать каналы. Таким образом рацией может пользоваться любой человек и ему не нужно знать что такое частоты, LPD или PMR, достаточно перещелкнуть рацию на заданный канал и успешно ею пользоваться.

Следует помнить, что рации предназначенные для различных диапазонов частот не могут связаться друг с другом. Аппарат предназначенный для других частот просто не будет работать с сигналом лежащим вне его рабочего диапазона. Узнать какие именно параметры поддерживает устройство можно, если заглянуть в его паспорт. Обычно LPD рация предлагает 69 каналов, а PMR – 8. Также существуют аппараты, которые поддерживают сразу несколько диапазонов.

Субтоны являются дополнительным средством, позволяющим разделить разговоры различных абонентов в рамках одного канала. Настройка данного параметра позволит аппарату отфильтровывать сообщения и выдавать в эфир только те, которые совпадают с заданным субтоном. Существует два вида таких сигналов: QT/DQT и CTCSS.

Связь с помощью радиоволн – один из основных способов обмена информацией в современном мире. Существует большое разнообразие различных методов их применения. Они широко используются для радио и телевещания, для исследования, обеспечения дальней связи, повседневной коммуникации, а также для организации деятельности различных специальных служб: охранных подразделений, полиции, пожарных, медицинской службы. Все типы радиоволн находят себе применение в деятельности человека.

Introduction: Distance Measurement With Radio Waves

Introduction:
First of all, we want to excuse us for our bad English. (German pupils :D)
We invented a new, inexpensive device to measure distances up to 1.5km (about 1 mile) with accuracy about ±5 Meter (15 feet). The use of radio waves makes it possible to measure without the target being in sight. This means, you can measure distances through whole buildings.There are many rangefinders available, which are working with sound waves or lasers. A disadvantage of distance measurement with laser rangefinder is that you must center up the beam to the receiver and ensure that there are no obstacles along the laser beam.
Schematics and layouts are 100% own work, no copy and paste, only the transmitter and receiver modules had been bought.We already took part with this project in a German youth science competition called „Jugend-Forscht“ and won the 1st prize.

Step 1: Step 1: Basic Idea

Step 1: Basic idea
To put it simply, the main part is an exact stopwatch, which measures time with a resolution in nanoseconds. It is used to stop the time the emitted radio wave is travelling. Because the spreading rate of radio waves is identical with velocity of light, you can calculate the distance between the two devices (measuring points) by a given travel time of the radio waves.The stopwatch contains a crystal with a clock rate of 30 Megahertz and a couple of decade counters (High- Speed CMOS). To display the stopped time, binary outputs of the decade counters must be converted to be easier readable on 7-segment-displays. The process of a single measurement:
1) The measurement is being initiated (started with a button) by the user at the basic station (1st point)
2) Counter starts, at exactly the same time a 434 MHz AM transmitter module emits out a 1st radio wave
3) The radio wave gets into the receiver at the 2nd point, and immediately starts the 2nd transmitter at a frequency of 868 MHz
4) The 868 MHz wave is being received at the basic station and stops the counter
5) The travelling time can be read on the display.

Step 2: Step 2: Calculation of Distance

Step 2: Calculation of Distance
The formula:
Δs = (Δt * c) / 2

Δs: Distance in m
Δt: Wave travelling time
c: Speed of light (299,792,458 m/s)

For Example, the Display shows ‘17’ (leading zeroes are shown, too.), the radio wave has been 560ns (nanoseconds) on the way.
(5,6*10-7s * 3,0*10^8m/s) / 2 = 85m
Inserting the values in upper formula, you’ll get a distance about 85 meters.

Step 3: Step 3: Problems/Accuracy

Step 3: Problems/Accuracy
The use of a 30MHz crystal does not allow creating a very precise time base. The aftermath will be an error on the distance about ±5m. Increasing the frequency of the time base will improve the accuracy: The higher frequency, the more precision . Although there are several crystals available on the market with frequencies up to 100MHz (5th harmonic), the actual limit is the maximum clock frequency input of the 74HC4510 counters with 53MHz. Farnell offers counters up to 1200MHz, but they are expensive, only available for companies and come in boxes with hundreds of it. Another problem is that free frequency bands (434 and 868 MHz in Europe) can be used by any other equipment like walkie-talkies. This means the device will not work, because the receivers will get some other signal that is in the air.
The picture shows on the left side the distance measured by out device. The real distance is plotted on the ground. To prevent errors, several measurements had been performed. The fist one is shown by the blue line, the second by the red one an the real distance is located by the orange one. 

Step 4: Step 4: Parts

Step 4: Parts
Semiconductor:
5x 74HC4510
5x 74HC4543
3x 74HC4040
1x 4093
2x 40106
2x 78L05
1x BD175
1x BC556
32x 1N4148
1x LED red small
5x 7-segment-display

Resistor:
All resistors are 1% metal film, unless otherwise specified.
40x 390R
1x 1k
1x 2,2k
1x 8,2k
2x 10k
1x 12k
1x 15k
4x 22k
1x 27k
1x 1M
1x 10M

Capacitor:
2x 2,7pF
1x 470pF
5x 10nF
4x 100nF
1x 0,22µF
2x 470µF
2x 100µF

Misc:
1x 30 MHz crystal
1x Transmitter module 434 MHz
1x Transmitter module 868 MHz
1x Receiver module 434 MHz
1x Receiver module 868 MHz
1x Push Button (to start the measurement)
1x Momentary Switch (to reset the clock watch)
1x small switch (to choose between permanent or temporary display)

Step 5: Step 5: Schematic

Step 5: Schematic
We thought about uploading layouts for making a PCB, but it it’s not worth it, because the pin connections and alignment of transmitter/receiver modules are always different. (We got very exotic ones from a company in Italy, produced in Taiwan :D) If you decide to buy one – with a high probability they wouldn’t fit in our PCB.

Step 6: Step 6: Trilateration

Step 6: Trilateration
Suppose you built such a unit, you may ask yourself if distance measurement only is a bit boring. Good news: If you built three of these, you can use them for trilateration.

http://en.wikipedia.org/wiki/Trilateration

Because a radiowave spreads spherically, at 3 given distances a point can be clearly defined:
A circle is simply the set of all points (infinite) with the same distance to a point. The intersection of two spheres is a circle. The intersection of three spheres is one point.

This can be used tracking an object for example a car (GPS uses exactly the same principle.)

Step 7: Step 6: Conclusion

Step 6: Conclusion
This new technique of measuring distances is a great alternative to conventional laser methods. But the largest advantage is that you can measure through whole buildings. And the way it is built up is also simple enough to push this project easily forward with minimal knowledge of electronic. And you can use it without any knowledge of measurement technics.
To sum it up:
It’s easy to use, it’s easy to built, it’s cheap and it’s a new revolutionary method of distance measurement