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.
30–300 кГц Длинные волны (ДВ) Километровые 10–1 км
300–3000 кГц Средние волны (СВ) Гектометровые 1–0.1 км
3–30 МГц Короткие волны (КВ) (HF) Декаметровые 100–10 м
30–300 МГц Ультракороткие волны (УКВ) (VHF) Метровые 10–1 м
300–3000 МГц Ультракороткие волны (УКВ) (UHF) Дециметровые 1–0.1 м
1 -2…30 МГц Коротковолновый диапазон (КВ) Из-за особенностей распространения в основном применяется для дальней связи. 25.6…30 МГц «Си-Би»Гражданский диапазон, в котором могут пользоваться связью частные лица. В разных странах на этом участке выделено от 40 до 80 фиксированных частот (каналов).
2 -30...88 МГц «Low Band» - Широко используется в войсковых радиостанциях УКВ-связи. Также выделены некоторые частоты для гражданских служб (скорая помощь и т.д.)
3 -88...108 МГц - радиовещание;
4 -108… 118 МГц - стационарные авиационные навигационные системы;
5 -118…137 МГц - Авиа диапазон: воздушные суда осуществляют радиообмен между собой и с наземными службами в этом диапазоне частот. В отличие от большинства других видов УКВ-связи, используется амплитудная модуляция;
6 -144…146 МГц - Радиолюбительский диапазон 2метра;
7 -146…200 МГц - Городские службы. В диапазоне можно найти частоты городских служб – пожарных, такси, МЧС, ГАИ, милиции и пр.
Часть диапазона 151-155 МГц - выделена для железнодорожной связи.
Часть диапазона 156-158 МГц - радиосвязь морских судов.
8 -225...400 МГц - тут работают радиостанции управления воздушным движением;
9 -300…302 МГц - Речные суда.
10 -400-500 МГц - Пожалуй, один из наиболее активных диапазонов. В нем работают различные службы и устройства, от радио-нянь, безлицензионных LPD/PMR-радиостанций и различной цифровой телеметрии (сигнализации, брелки) до ГАИ, скорой помощи, такси и транковых сетей.
Часть диапазона 433 МГц - радиолюбительский диапазон 0,7 метра.
11 -500 МГц и выше - В этом диапазоне в основном находятся только цифровые сигналы (GSM, Bluetooth, Dect и пр.). Прием и анализ таких сигналов обычными средствами в большинстве случаев невозможен.
Коротковолновый диапазон (КВ) позволяет организовывать связь на большие расстояния (вплоть до трансконтинентальной). Короткие волны широко использовались в период 40–60-х годов для организации дальней связи. По фильмам и книгам многие знают, как происходил обмен сообщениями во время II Мировой войны, в период освоения Севера и Антарктиды, при работе геологических партий и спасательных экспедиций. С начала 80-х годов новые технологии коммуникаций (проводная, сотовая, спутниковая связь) постепенно вытеснили довольно капризную КВ радиосвязь из традиционного сектора дальней связи. Короткие волны стали незаслуженно отодвигаться на второй план. Но преобразования, происходящие в странах с бывшей плановой экономикой заставили начать поиск недорогих и независимых методов дальней связи. Вновь стал проявляться интерес к «забытому» КВ диапазону.
Обычно с КВ радиосвязью ассоциируется блиндаж в темном заснеженном лесу и отважный радист выстукивающий замерзшими пальцами очередное донесение в Центр. Или бородатый геолог, пытающийся сквозь треск помех вызвать вертолет к больному товарищу. В современной КВ связи «романтика» обычно сводится только к правильной установке антенн, а остальное, как говориться – дело техники.
Современные коротковолновые радиостанции позволяют создавать системы связи по возможностям приближенные к довольно сложным системам в УКВ диапазонах. Здесь и селективный вызов, и автоматический выбор наилучшей частоты связи, и возможность передачи факсимильных сообщений, и шифрация речи и многое другое. Существуют компактные модели для установки на транспортные средства, и даже переносные радиостанции, с возможностями, не особо уступающими стационарным. Выпускающиеся в настоящее время КВ радиостанции обладают высокой чувствительностью и избирательностью, выходной мощность до 100 и более ватт. Современные цифровые и микропроцессорные технологии проникли и в этот вид техники, предоставив пользователям массу дополнительных функций облегчающих жизнь радиста. Язык не поворачивается назвать «радистом», например, управляющего горнодобывающего комбината, который из своего кабинета управляет работой десятков объектов расположенных в сотнях, а то и тысячах километрах от управления.
К недостаткам КВ диапазона можно отнести сложности с миниатюризацией радиостанций, большие размеры антенн (десятки метров), низкую помехозащищенность (в дни хорошего прохождения сигнала можно услышать на выбранной частоте передачу с противоположной стороны Земли). К достоинствам – полную автономность на больших расстояниях, низкую стоимость оборудования по сравнению с любыми другими видами связи, обеспечивающими такую же дальность.
В основном применяется для связи:
«Гражданский» диапазон – «Си-Би», или как его часто называют – «27 МГц». Единственный диапазон, в котором радиосвязное оборудование может без ограничений использоваться частными лицами.
Высокая дальность связи в условиях равнинной сельской местности и низкая стоимость абонентского оборудования делает этот диапазон весьма привлекательным для самых разных категорий пользователей от фермеров, рыболовов и пастухов, до крупных строительных, добывающих и транспортных организаций.
И хотя наибольшая эффективность диапазона будет в равнинной сельской местности, практика использования «Си-Би» показала, что при грамотной организации системы и оптимальном расположении антенн базовых станций можно добиться качественной и уверенной радиосвязи на большие расстояния даже в условиях индустриальных городских помех и высотной застройки. В качестве примера можно привести активное развитие частных служб такси в г.Ташкенте, использующих «Си-Би» радиосвязь.
В данном диапазоне распространение радиоволн происходит, кроме прямолинейного, еще и посредством отражения от ионосферы Земли поэтому дальность прохождения радиосигнала и его качество будет в высокой степени зависеть от состояния ионосферы и солнечной активности, и может сильно изменяться в разные дни и в течение суток.
Ионосферное прохождение радиоволн, может увеличивать дальность связи до нескольких тысяч километров. Это бывает в основном в летнее время года и в периоды солнечной активности. Во время таких прохождений можно запросто поболтать с Киевом или Одессой, попрактиковаться в знании иностранных языков, связавшись с зарубежьем. Для некоторых установление дальних связей на «Си-Би» стало определенного вида спортом.
Среди недостатков «гражданской» связи следует отметить высокую чувствительность к помехам, перегруженность каналов в дни благоприятного распространения радиоволн (могут быть слышны передатчики, удаленные на тысячи километров), низкую эффективность носимых радиостанций из-за коротких антенн, большую длину антенн мобильных радиостанций (около 1.5 м).
Несмотря на указанные недостатки, «Си-Би» связь остается наиболее популярным средством коммуникаций в мире. Благодаря невысокой стоимости оборудования и упрощенной процедуре регистрации ее используют сельскохозяйственные организации, водители транспортных средств, любители активного отдыха и многочисленная армия обычных людей, для которых радиосвязь является просто любимым времяпровождением. Не будет преувеличением утверждение, что в «Си-Би» диапазоне работает больше радиостанций, чем на всех других частотах вместе взятых.
Наиболее предпочтителен для радиосвязи:
Диапазон 30–88 МГц, обычно называемый «Low Band», из-за отсутствия в русском языке подходящего термина.
Используется для армейской тактической связи.
33–50 МГц Широко использовался в бывшем СССР, оставаясь чуть ли не единственным служебным диапазоном на который можно было приобрести оборудование производства стран СЭВ. Многие предприятия и организации использовали радиостанции, в частности «Лен» и «Гранит» для решения нужд оперативной радиосвязи, а некоторые используют до сих пор. Но экономические преобразования последних лет заставили пересмотреть взгляды на выбор коммуникационного оборудования. Новейшие западные разработки хлынули на наш рынок и «Low Band» стал вытесняться более высокочастотными диапазонами.
В настоящее время в продаже можно встретить радиостанции на 33–50 МГц производства Vertex, Motorola, Alan, Roger и др. Это позволяет организациям и ведомствам заменять парк устаревшего и вышедшего из строя оборудования и использовать уже имеющиеся радиочастоты. Имеется ряд моделей в портативном исполнении. К сожалению, цены на подобную технику несколько выше, чем на аналогичные модели более высоких частот.
По физическим свойствам занимает промежуточное положение между КВ и УКВ диапазонами, из-за чего обладает свойствами и того, и другого. При определенных обстоятельствах позволяет осуществлять связь за пределы радиогоризонта (отраженной волной). Но в основном связь возможна в пределах прямой видимости. Характеризуется небольшим затуханием, меньшим отражением. Наибольшая дальность достигается в сельских районах с низкой застройкой и в равнинной местности.
Для работы (передачи) на VHF требуется лицензия, а для UHF - нет.
Высокая помехозащищенность и хорошее прохождение сигнала позволяет активно использовать данные диапазоны для организации практически любых систем служебной радиосвязи. Нижняя часть диапазона (УКВ) более эффективна в условиях сельской местности, мало- (до 3-х этажей) и среднеэтажной (до 5-ти этажей) городской застройки. Верхняя часть (ДЦВ) предпочтительна в условиях индустриальных центров и многоэтажной застройки.
LPD
(433-434 mhz) -
"Low Power Device"
.
LPD433 (433.075 .. 434.775 Мгц 69 частот с шагом 25 кГц, мощностью до 0,01 Вт). Здесь охрана и радиолюбители, которые не получали позывной и не могут работать на 145 mhz, а так же городские (обычно еще и «авто») каналы, на которых всегда интересно и уютно.
Использование радиостанций LPD (SRD) не разрешено в следующих странах
: Бельгия, Дания, Финляндия, Ирландия, Люксембург, Португалия, Великобритания, Испания, Литва, Латвия, Эстония, Хорватия, Турция.
PMR (446 mhz) - "Personal Mobile Radio" . PMR466 (446,000 .. 446,100 Мгц, 8 частот с шагом 6.5 кГц, мощностью до 0.5 Вт). Для раций PMR ограничений нет, вы можете смело ехать за границу и свободно их использовать. Еще раз охрана, стройка и… и все. Неинтересно, на самом деле ибо каналы вплотную прижаты друг к другу.
Во многих странах данные диапазоны используются для организации пейджинговой (УКВ) и сотовой (ДЦВ) радиосвязи. Хотя наблюдается тенденция к переходу на более высокие частотные участки (900, 1800 МГц)
Связь возможна только в пределах прямой видимости, из-за чего в большинстве случаев используются системы с ретрансляцией.
Используется для организации систем радиосвязи в городах с высотной застройкой и в зонах с высоким уровнем индустриальных помех. Очень высокая помехозащищенность и хорошее прохождение сигнала сквозь различные преграды (вплоть до металлических сеток), позволяет использовать данный диапазон там, где распространение радиоволн с более низкими частотами невозможно или сопряжено с большими затратами (размещение промежуточных ретрансляторов, большая высота антенн и т.п.). Во многих странах мира используется для организации сотовой радиосвязи. В частности, сотовая связь в Узбекистане организована именно в этом диапазоне. Традиционный диапазон подвижной наземной связи США.
Связь возможна только в пределах радиогоризонта. Диапазон характеризует высокая степень отражения радиоволн от зданий, сооружений и других естественных и искусственных преград, за счет чего возможна радиосвязь в условиях промышленных районов и индустриальных центров с высотной застройкой. В некоторых случаях это можно рассматривать как благо (меньшее количество «мертвых зон» из-за отражений), а иногда может оказаться большой проблемой (интерференция).
По физическим свойствам характеризуется большим затуханием радиоволн, вследствие чего дальность связи в сельской местности будет меньше, чем на низких частотах.
К недостаткам следует отнести относительно высокую стоимость оборудования по сравнению с оборудованием на более низкие частоты и сложности с созданием мощных радиопередатчиков носимых станций. Частично это связано с увеличением энергии передаваемого сигнала на высоких частотах, а это, в свою очередь требует источников питания (аккумуляторов) большой емкости, габариты которых, при современном уровне развития технологии, с трудом поддаются миниатюризации.
Андрей Истратов
радиоинженер
1997
Все кто слушает радио в нашей стране уже привыкли к тому, что существуют два диапазона для качественного местного радиовещания с частотной модуляцией: старый советский, называемый УКВ ; и новый, в импортных приемниках называемый FM . Хотя правильнее было бы называть его УКВ-2 или Верхний УКВ диапазон.
Главный недостаток советского УКВ-диапазона - его маленький размер. Он был ограничен у нас, из расчета, что его должно хватить на ретрансляцию 4 программ радио по всей территории страны и + еще 4-5 в самых крупных городах. Тогда, в 50-е годы, считалось, что советскому человеку больше не понадобится даже при коммунизме.
Еще в 1978 году было решено зарезервировать диапазон 100 - 108 МГц для высококачественного музыкального вещания, но дальше разговоров дело, как тогда водилось, не пошло. Первые радиостанции в диапазоне FM появились в Москве только в конце 1991 года.
Постепенно их становилось все больше, и сейчас в Москве насчитывается 18 FM-станций (против 13 в старом УКВ). Та же тенденция наблюдается в Петербурге и в некоторых других крупных городах. К тому же, отечественные радиоприемники практически исчезли из продажи, а в импортных диапазон 66-74 МГц поддерживается редко.
Так, может быть отказаться от старого диапазона совсем? Тем более, что имеется еще свободный участок размером 12 МГц в диапазоне FM. К тому же использовать для каждого диапазона свой приемник неудобно, и многие предпочитают ограничиваться одним.
Страны бывшего OIRT, оказавшиеся той же ситуации, развивали свое радиовещание по-разному.
Чехия и Венгрия - страны достаточно богатые и компактные - уже полностью отказались от нижнего УКВ и перешли на частоты 88 - 108 МГц
Такая же тенденция прослеживается в Словакии и Латвии. В Словакии в диапазоне УКВ работает только сеть двух государственных радиопрограмм, а в Риге, кроме них, только одна частная станция дублирует свои передачи в УКВ. Причем, в обоих странах участок FM диапазона 88 - 100 начал осваиваться сравнительно недавно.
В Польше и Эстонии в настоящее время используют полностью оба диапазона: 66 - 74 и 88 - 108; и отказываться от УКВ не собираются.
В Румынии, Литве и странах СНГ используют пока два диапазона по 8 МГц каждый: 66 - 74 и
100 - 108. Но в этом году уже начали появляться станции и на частотах 88 - 100. (в Москве, Петербурге и кое-где в Румынии). Использование этого участка FM-диапазона осложняется тем, что в него попадают четвертый и пятый частотные каналы телевидения стандарта OIRT.
По другим странам (Болгарии, Албании, Монголии и Афганистану) достоверные данные отсутствуют.
Тем не менее, отчетливо прослеживается тенденция к вытеснению УКВ-диапазона его FM-конкурентом.
Эти два диапазона далеко не так равнозначны, как кажется на первый взгляд. Затухание радиоволн в атмосфере возрастает с увеличением частоты и радиус зоны приема для передатчика той же мощности в диапазоне FM заметно меньше. Однако, в нем проще делать направленные антенны, проще специально ограничить зону вещания и разместить больше местных радиостанций, которые не будут мешать друг другу.
В Советском Союзе вся система местного радиовещания строилась в расчете именно на частоты порядка 70 МГц и если вдруг перестроить все передатчики на частоты порядка 100 МГц, то окажется, что зона уверенного приема сократится по площади раза в два, и огромные пространства между городами окажутся без возможности слушать ЧМ-радиостанции.
К примеру, в Московской области радиус зоны уверенного приема для УКВ составляет от 90 (P=10кВт; h=420м. ) до 130 (P=15кВт; h=420м. ) километров. А для FM только до 50 километров (P=10кВт; h=150м .). Хотя здесь болше зависимотсть от высоты антенны.
Таким образом, отказаться от диапазона 66 - 74 МГц в такой большой стране как наша нереально. Придется жить с двумя, используя по возможности, преимущества каждого. В принципе, не обязательно иметь частоты, совместимые с "мировыми стандартами". В Японии, например, используется диапазон 74 - 88 МГц, что не создает японцам никаких проблем. Надо лишь иметь живую радиопромышленность, чтобы не зависеть от импорта радиопередатчиков и приемников.
Дрейф частных радиостанций в сторону FM поощряется, на мой взгляд, еще и тем, что дешевле купить серийный импортный передатчик, чем заказывать его переделку под другие частоты или искать российского производителя.
Иностранные производители предлагают, в основном, приемные устройства с так называемым "растянутым" УКВ-FM диапазоном. При этом радиостанции оказываются на краях такого "длинного" диапазона, где чувствительность и другие характеристики приемника как правило хуже чем в центральной его части. К тому же, при ручной настройке "нащупать" нужную станцию довольно трудно.
Исключение составляют устройства с "цифровым тюнером" (опять же - настоящим), где частота синтезируется специальным образом (и отобража ется цифрами на встроенном дисплее). Самые дорогие такие тюнеры позволяют синтезировать частоты от 50 до 500 МГц и качественно принимать звуковое сопровождение для ТВ-программ.
Реже встречаются устройства и с двумя раздельными УКВ и FM, но в них второй УКВ диапазон обычно сделан вместо какого-нибудь другого из АМ.
Плюс ко всему, все подобные приемники кроме нескольких дорогих моделей фирмы SONY (торговая марка "Стерео+" ) не поддерживают отечественную "полярную" стереосистему для УКВ. И те выпускаются в ограниченном количестве.
Мне известно и несколько отечественных моделей тюнеров и магнитол с двумя раздельными диапазонами УКВ и FM (УКВ-2). Например, магнитолы "Вега". Но встретить в продаже их практически невозможно. Так что дешевле и лучше пока все-таки иметь 2 разных приемника с разными стереодекодерами для УКВ и FM.
Кстати, на мой взгляд, от советской т.н. "полярной" стереосистемы можно и нужно отказаться, и использовать в УКВ-OIRT диапазоне американскую систему с пилот-тоном "Zenith", как это уже сделали некоторые страны Восточной Европы. По всем качественным показателям американская стереосистема немного, но лучше. В 60-е годы главным аргументом ЗА полярную систему была возможность создания простого дешевого декодера, что при современной технологии неактуально. Второй аргумент - более узкая занимаемая полоса частот (160 кГц против 200) был актуален при наличии в стране единственного диапазона 8 Мгц шириной.
Конечно, такое мероприятие потребует больших затрат, но наличие в одной стране двух стереосистем создает гораздо б
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
Объединяющего
метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны (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 тропосфера Земли. Для тропосферы характерны
следующие механизмы загоризонтного распространения УКВ: нормальная (стандартная)
лучей, рассеяние на турбулентных флуктуациях показателя преломления,
каналирование энергии в тропосферном , 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. волны 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 и распространение УКВ в тропосфере
происходит без к--л. дополнит. потерь энергии. При l<10 см становятся существенными
рассеяние и поглощение волн 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 полоса пропускания
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; в атмосфере и космическом пространстве, под ред. А. В. Соколова, А. А. Семенова, M., 1986. А. В. Рахлин .
