Propagacja fal radiowych

Propagacja fal radiowych
Parametry fali radiowej
Podstawowym parametrem fali jest jej częstotliwość czyli liczba
pełnych cykli w ciągu 1 sekundy, wyrażany jest w Hz
Widmo (spektrum) fal elektromagnetycznych
Parametry fali radiowej
Parametrem równorzędnym częstotliwości jest długość fali, która
określa odległość jaką pokonuje fala w czasie jednego okresu.
Podział fal radiowych
Podział mikrofal
Podział fal na zakresy
Programy radiowe nadawane są na falach metrowych a programy
telewizyjne na falach decymetrowych.
Fale te nie odbijają się od jonosfery co oznacza że antena nadawcza i
odbiorcza musza zachować „widzialność optyczną”.
Problemem w poprawnym odbiorze jest „efekt cienia”
Schemat odbicia fal radiowych
1. Ziemia, 2. Troposfera, 3. Jonosfera, 4. Fala powierzchniowa, 5. Fala jonosferyczna,
6. Fala troposferyczna.
fala bezpośrednia - obie anteny przynajmniej teoretycznie powinny się "widzieć". O
zasięgu decyduje wysokość umieszczenia anteny, a w mniejszym stopniu moc
nadajnika.
Fala przyziemna rozchodzi się wzdłuż powierzchni Ziemi (ulega zakrzywieniu
zgodnie z jej krzywizną). W przypadku łączności za pośrednictwem tej fali anteny nie
muszą być w bezpośredniej widoczności. O zasięgu głównie decyduje moc nadajnika.
Warstwy atmosfery
Najbliższa powierzchni Ziemi, pomarańczowo-czerwona warstwa to
troposfera. Na jej granicy jasnobrązowa linia to tropopauza. Mlecznobiała
przechodząca w szarość sfera to stratosfera, w której znaleźć mogły się
również obłoki srebrzyste. Wysokie warstwy - mezosfera, termosfera i
egzosfera mienią się odcieniami błękitu przechodzącymi stopniowo w
granat, aż do czerni przestrzeni kosmicznej.
Fala przyziemna
Dzielimy je na powierzchniowe i przestrzenne.
Fala powierzchniowa jest promieniowana przez antenę umieszczoną nisko
nad powierzchnią ziemi i rozchodzi się wzdłuż tej powierzchni. Fale
powierzchniowe ulegają w pasmach HF( fale krótkie) znacznemu tłumieniu.
Fala przestrzenna występuje głównie w zakresie fal ultrakrótkich. Anteny
umieszcza się stosunkowo wysoko nad powierzchnią ziemi.
Fala przestrzenna może mieć dwie składowe - falę bezpośrednią i odbitą od
powierzchni Ziemi. Gdy antena nadawcza i antena odbiorcza znajdują się
blisko powierzchni Ziemi, wówczas obydwie składowe fali przestrzennej – fala
bezpośrednia i odbita mają takie same amplitudy, lecz ich fazy są przesunięte
o 180°, co powoduje, że obie fale znoszenie się wzajemnie, więc jedyną falą
jest fala powierzchniowa. Fala przestrzenna natrafiając na niezbyt wysoką
przeszkodę ulega ugięciu. Za przeszkodą fala ugięta ma amplitudę szybko
malejącą przy wzroście kąta ugięcia.
Fala przyziemna
fdafd
Fala przestrzenna może mieć dwie składowe - falę bezpośrednią i odbitą od
powierzchni Ziemi. Gdy antena nadawcza i antena odbiorcza znajdują się blisko
powierzchni Ziemi, wówczas obydwie składowe fali przestrzennej – fala bezpośrednia
i odbita mają takie same amplitudy, lecz ich fazy są przesunięte o 180°, co powoduje,
że obie fale znoszenie się wzajemnie, więc jedyną falą jest fala powierzchniowa. Fala
przestrzenna natrafiając na niezbyt wysoką przeszkodę ulega ugięciu. Za przeszkodą
fala ugięta ma amplitudę szybko malejącą przy wzroście kąta ugięcia.
Propagacja fali w troposferze
Troposfera rozciąga się od powierzchni Ziemi do wysokości od około
10km nad biegunami do 18km nad równikiem. Charakteryzuje się ona
stałym składem powietrza i spadkiem temperatury z wysokością.
Propagacja fal w troposferze jest silnie uzależniona od zjawisk
meteorologicznych. Fale radiowe mogą być tłumione i rozpraszane w
stopniu zależnym od zakresu. Może w niej zachodzić refrakcja, czyli
odchylenie toru fali od linii prostej.
Fala troposferyczna
Rozchodzi się dzięki refrakcji (ugięciu) w troposferze. Rozchodzi
się ona do wysokości kilku kilometrów Wynika z tego, że propaguje
się ona w ośrodku o zmiennym współczynniku załamania, a co za
tym idzie ulega ona w pewnych warunkach refrakcji do Ziemi. Fala
troposferyczna jest charakterystyczna dla łączności w zakresie fal
ultrakrótkich i pozwala na łączność pozahoryzontową.
Propagacja fali jako odbicie od jonosfery
Możliwe jest wielokrotne odbicie od ziemi i jonosfery, dzięki czemu
możemy przy wyjątkowo sprzyjających warunkach objąć zasięgiem
łączności całą Ziemię. Cecha charakterystyczną jest to, że występują
strefy martwe w miejscach gdzie fala "wędruje" ku wyższym warstwom
atmosfery i doskonałej łączności, gdzie dotyka ziemi. Niejednokrotnie
stacje oddalone o tysiące kilometrów są słyszalne lepiej niż te lokalne.
Propagacja fali w jonosferze
Jonosfera jest mocno zjonizowana przez promieniowanie słoneczne, znajduje
się powyżej 60 km nad powierzchnią Ziemi. Oprócz Słońca, czynnikami
jonizującymi są promieniowanie kosmiczne i pył kosmiczny.
W jonosferze wyróżniono szereg warstw o różnych właściwościach. Ich
grubość zmienia się zależnie od intensywności czynników jonizujących.
Częstotliwość graniczna jonosfery to 30MHz, dla sygnałów powyżej tej
częstotliwości jonosfera jest przeźroczysta.
Nocą warstwy D i F1 zanikają, a pozostałe warstwy wykazują własności
słabsze niż za dnia. Zasadniczo fale radiowe odbijają się od jonosfery.
Przejście fal elektromagnetycznych przez jonosferę jest uzależnione od
długości fal i kątów padania na powierzchnię jonosfery.
Propagacja fali w jonosferze
W ciągu dnia wyróżnia się cztery
warstwy:
- D (60-90km),
- E (100-120km),
- F1 (180-240km, istnieje tylko
latem),
- F2 (230-400km, dość
niestabilna).
Nocą warstwy D i F1 zanikają, a
pozostałe warstwy wykazują
własności słabsze niż za dnia.
Przejście fal elektromagnetycznych
przez jonosferę jest uzależnione od
długości fal i kątów padania na
powierzchnię jonosfery.
Fale bardzo długie
Wykorzystywane do łączności w kopalniach i z okrętami podwodnymi.
Cechują się możliwością wnikania i rozchodzenia się w ziemi i wodzie.
Fale długie
Wskutek bardzo małego tłumienia w gruncie, który dla tego zakresu
zachowuje się praktycznie jak przewodnik, oraz dużej dyfrakcji,
rozchodzą się w postaci fali powierzchniowej na dość duże odległości.
Jednakże w dalekosiężnej komunikacji na falach długich wykorzystuje
się falę jonosferyczną. Zasięg łączności na falach długich wzrasta w
nocy, co wynika z faktu, że tłumienie tych fal przez warstwę E
jonosfery jest mniejsze, niż tłumienie ich przez warstwę D, która w
nocy zanika. Warunki propagacji fal długich ulegają małym i powolnym
zmianom w czasie, co jest dużą zaletą łączności długofalowej.
Fale średnie
O zasięgu na falach średnich w dzień decyduje fala powierzchniowa.
Dzieje się tak, ponieważ warstwa D jonosfery nie odbija fal średnich,
lecz je tłumi. Z zapadnięciem zmroku warstwa D zanika, wskutek
czego w ciągu nocy o zasięgu fal średnich decyduje fala
jonosferyczna. Wtedy silne radiostacje średniofalowe są słyszalne na
odległość powyżej 3000 km. Zasięg łączności na fali powierzchniowej
maleje wraz z długością fali. Największy zasięg uzyskuje się nad
morzem, a najmniejszy - nad terenem suchym [piaski, tereny miejskie].
Ze względu na silne tłumienie fali powierzchniowej na terenach
lądowych, fale pośrednie są używane raczej do radiokomunikacji i
radionawigacji morskiej.
Fale krótkie
Fale krótkie są odbijane głównie przez warstwę F2, ale okresowo także inne (E
i F1), w tym warstwy występujące sporadycznie. Stan i ilość warstw jonosfery zależy
od kąta padania promieni słonecznych oraz od aktywności słonecznej, dlatego też w
różnych przedziałach czasu warunki propagacyjne na obu końcach zakresu fal
krótkich mogą ulegać zmianom.
Fale ultrakrótkie
Wyróżnia się cztery podzakresy:
- fale metrowe 30 - 300 MHz (10m - 1 m),
- fale decymetrowe 300 - 3000 MHz (1 m - 10 cm),
- fale centymetrowe 3 - 30 GHz (10 cm - 1 cm),
- fale milimetrowe 30 - 300 GHz (10 mm - 1 mm).
Fale ultrakrótkie rozchodzą się w zasadzie prostoliniowo, podobnie jak
światło widzialne. Podlegają one odbiciu od obiektów o dużej gęstości,
oraz rozpraszaniu i tłumieniu w atmosferze i innych ośrodkach.
W rzeczywistości zasięg fal ultrakrótkich jest większy dzięki refrakcji
troposferycznej, dyfrakcji, czyli załamaniu toru fali na krawędzi
horyzontu czy wzniesień i budynków. Natężenie pola dla fal tego
zakresu zależy od bardzo wielu czynników [częstotliwość, polaryzacja
fali, wysokość zawieszenia anten, parametry elektryczne gruntu].
Propagacja fal
Strefa Fresnela
Określa zdolność do propagacji sygnału.
dkm = d1km+d2km, jest to odległość między masztami
d1km – odległość od pierwszej anteny w km
d2km – odległość od drugiej anteny w km
Strefa Fresnela
Źle wykonana instalacja
Dobrze wykonana instalacja
Długość strefy Fresnela