Fale długie

Wpływ atmosfery
Atmosfera jest niejednorodna nie tylko
w strukturze (różna przenikalność), ale
również w czasie (chmury burzowe,
różnica ciśnień, wilgotności, itp.)
Troposfera
• Dolna warstwa atmosfery:
8-10 km w okolicach podbiegunowych
16-18 w okolicach równika
• Skład procentowy gazów można uznać za
jednakowy;
• Różna jest zawartość pary wodnej (zależna od
warunków atmosferycznych oraz malejąca ze
wzrostem wysokości)
• Spadek temperatury z wysokością jest mniej
więcej stały, średnio 60C/km
Troposfera
• Zdarzają się INWERSJE temperatury i
wilgotności
• Propagacja fal elektromagnetycznych
silnie zależy w troposferze od warunków
meteorologicznych
• W troposferze występują:
załamanie (refrakcja)
rozpraszanie
tłumienie fal elektromagnetycznych
Współczynnik refrakcji - n
• Stosunek prędkości
światła w próżni do
prędkości fali w
rozważanym ośrodku
Zakładamy µ = µ0:
Częściej używa się
wskaźnika refrakcji
c
n=
= εr
vp
N = (n − 1) ⋅ 10
6
Wskaźnik refrakcji zależy od:
• T – temperatury
powietrza [K]
• p – ciśnienia suchego
powietrza [hPa]
• e – ciśnienia
cząstkowego pary wodnej
[hPa]
i zmienia się wraz z
wysokością: (dN/dH)
77,6 
4810 e 
N=
 p+

T 
T 
„Troposfera standardowa”
• Do obliczeń przyjmuje się uśrednione
wartości:
• Na wysokości h [km] nad powierzchnią
morza wskaźnik refrakcji wynosi:
N(h) = 289 e-0,136h
Horyzont optyczny i radiowy
• Na skutek zmian współczynnika refrakcji fala
radiowa ulega w troposferze załamaniu i
rozchodzi się dalej, niż horyzont optyczny
Horyzont radiowy
• Horyzont radiowy – zasięg stacji przy ustalonych
wysokościach anten
• Jest dla troposfery standardowej ok. 15%
większy od optycznego horyzontu
• Wraz z wysokością – powietrze nieznacznie
rozrzedza się – czyli zwiększa się nieco
prędkość rozchodzenia się fali, co powoduje
pochylenie czoła fali w kierunku ziemi – zagięcie
fali i zwiększenie zasięgu
θc – jest kątem krytycznym. Fale padające pod kątem mniejszym
od krytycznego nie zostaną odbite
Fale UKF w warstwach atmosfery ziemskiej
Tłumienie w troposferze
• Tłumienie w troposferze dotyczy fal krótszych
niż 10 cm
• Opady atmosferyczne:
- woda w zakresie mikrofalowym jest ośrodkiem
półprzewodzącym, następują straty energii
- rozpraszanie optyczne (krople działają jak
soczewki)
- absorpcja molekularna (wzbudzanie się
atomów i cząsteczek gazu – szczególnie tlenu,
pod wpływem fali)
Tłumienie w troposferze
• Rozpraszanie energii i tłumienie na
cząstkach pyłów i dymu
• Krople deszczu nie tylko zmniejszają
amplitudę, ale również zmieniają
polaryzację (szczególnie fal o polaryzacji
pionowej); fale o polaryzacji kołowej odbite
od kolumny deszczu zmieniają swoją
skrętność
Zakłócenia naturalne
• Pomiędzy zjonizowanymi górnymi
warstwami atmosfery a powierzchnią
Ziemi występuje stała różnica potencjałów
– około 400 kV; w okresie bezburzowym
następuje powolne „rozładowywanie się”
• „Doładowanie kondensatora” następuje
w czasie burz (Ziemia otrzymuje ładunki
ujemne)
Wyładowanie burzowe
• Pierwsza faza: lider od chmury do ziemi
(„przedwyładowanie”) – prąd w zakresie
100-300A, maksimum przy częstotliwości
30-50 kHz
• Wyładowanie podstawowe (wzdłuż drogi
utorowanej przez lidera) – większość
energii w paśmie do 10 kHz; prąd 10100kA w czasie 100-3000µs
Zakłócenia przy wyładowaniu
• Lokalne (kilka V/m w pobliżu uderzenia) –
silne trzaski
• Dalekie – szum, którego poziom jest
zmienny w funkcji pory roku, doby,
położenia geograficznego, itd
Szum jonizacyjny - I
• Wywołany przez naładowane
elektrostatycznie płatki śniegu lub krople
deszczu, spadające na antenę
• W pierwszym okresie opadów – impulsy
w formie trzasków; później – szum
• Uziemienie anteny i jej metaliczne
połączenie z masztem nie zmniejsza
poziomu szumu
Szum jonizacyjny – II (korona)
• Zwykle w górach – silnie zjonizowane chmury
nad szczytami lub silny, suchy wiatr powodują
indukcyjne ładowanie się wszystkich
przewodzących przedmiotów
• Ostro zakończone przedmioty (również anteny)
emitują elektrony, które jonizują otaczające
powietrze – zjawisko ogni św. Elma
• Uziemienie anteny i jej metaliczne połączenie
z masztem znacznie zmniejsza poziom szumu
Łączność z użyciem rozpraszania
troposferycznego
Łączność z użyciem rozpraszania
troposferycznego – c.d.
• Wykorzystywana przy dalekosiężnych
łącznościach na falach ultrakrótkich i
mikrofalach. Anteny są ustawione wzdłuż
płaszczyzny wielkiego koła, tzn.
przekroju Ziemi płaszczyzną, na której jest
położony środek Ziemi i obie anteny
• Fale radiowe nie ulegają w troposferze
tłumieniu dla długości większych od 10 cm
Jonosfera
• Jonosfera – zjonizowana (głównie przez
Słońce) część atmosfery, rozciągająca się
na wysokości powyżej 60 km
• W godzinach porannych i południowych
przeważa jonizacja; po południu i w nocy rekombinacja
Zorza polarna
•
Odbicie od zorzy polarnej
zapewnia na obszarze Europy
północnej zasięg do 1500 km.
Warunkiem zaistnienia
łączności zorzowej jest
wystąpienie zorzy
w określonym obszarze,
emisja w jej stronę fali pod
odpowiednim kątem oraz takie
ustawienie anteny, aby fala
radiowa powracała na Ziemię
w odpowiednim miejscu
w miarę stabilnie i bez
częstych zmian
Propagacja jonosferyczna
Częstotliwości
3 MHz – 30 MHz
Jonosfera to zjonizowana część atmosfery powyżej 60 km
Jonizacja pochodzi głównie od Słońca
Kąt krytyczny zależy od częstotliwości fal elektromagnetycznych,
ze wzrostem częstotliwości rośnie kąt krytyczny i fale są gorzej
odbijane przez jonosferę.
Częstotliwość fc, przy której kąt krytyczny jest równy zeru, jest
nazywana częstotliwością krytyczną
Maksymalną częstotliwość użytkową (MUF) wyznacza się:
fc
MUF =
cos θ c
Propagacja przyziemna do 10 MHz. Zasięg około 250 km.
Częstotliwość krytyczna
• Maksymalna
częstotliwość, przy
której pionowo
wypromieniowana
fala odbije się od
atmosfery:
• Dla f > fkr jonosfera
staje się
przezroczysta
f kr = 80,5 N maks
N - wysokość
Aktywność Słońca - parametry
• Solar Flux
charakteryzujący stan napromieniowania
jonosfery ziemskiej przez Słońce
w zakresie od ultrafioletu aż po miękkie
promieniowanie rentgenowskie. Wartość
liczbowa zawiera się od 64 do ok. 300
jednostek (im wyższy wskaźnik – lepsza
propagacja)
Aktywność Słońca - parametry
• Indeks K
charakteryzujący zmiany w aktywności
zewnętrznego ziemskiego pola
magnetycznego; wyrażany jest w skali od
0 do 9. Bardzo spokojne zewnętrzne
ziemskie pole magnetyczne - K od 0 do 1.
Burze magnetyczne od K = 4. Wzrastający
indeks K - pogarszanie się warunków
propagacyjnych
Aktywność Słońca - parametry
• MUF (Maximum Usable Frequency)
W każdej chwili, gdy pomiędzy dwoma punktami
na świecie możliwe jest uzyskanie łączności
radiowej, istnieje tzw. MUF. Jest to największa
częstotliwość, na której można przeprowadzić
łączność. W dzień MUF jest generalnie większa
niż w nocy, w lecie jest większa niż w zimie.
Powiększa się również ze wzrostem
zjonizowanej atmosfery przy większej
aktywności słońca
• LUF – najmniejsza częstotliwość użytkowa
Wpływ aktywności Słońca na jonosferę
Rozchodzenie się fal radiowych
• Fale długie (10-100kHz) – rozchodzą się
głównie w postaci fal powierzchniowych,
łatwo uginają się na przeszkodach, w
odległościach 1000-2000km pojawiają się
jako fala jonosferyczna.
Średnie wahania roczne natężenia pola w
danym punkcie – ok. 20-50%, przy czym
latem największe natężenie występuje w
dzień, zimą w nocy
Fale długie
• Rozchodzą się jak gdyby
w falowodzie, o
ściankach: powierzchnia
Ziemi i dolna warstwa
jonosfery.
• Stosuje się w łączności z
łodziami podwodnymi
(poniżej 100 Hz), powyżej
10 kHz w nawigacji,
komunikacji ze statkami,
transmisji danych
meteorologicznych
Fale długie
• Najniższe częstotliwości używane są
w komunikacji z łodziami podwodnymi
(nawet w dziesiątkach Hz)
• Częstotliwości poniżej 10 kHz są silnie
zakłócane przez wyładowania
atmosferyczne
Fale średnie
• Zakres 100 kHz-1,5 MHz; w odległości 100-150
km stabilne natężenie wytworzone dzięki fali
powierzchniowej – obszar bliskiego zasięgu
• W ciągu dnia tłumione w dolnej części jonosfery
(warstwie D), w nocy pojawia się fala
jonosferyczna (odbita od warstwy E, D - zanika)
w odległości dalszej, gdzie interferuje z falą
powierzchniową, powodując okresowe zanikanie
sygnału – strefa interferencji. Jeszcze dalej,
gdzie nie dociera fala powierzchniowa –
w obszarze dalekiego zasięgu – zaniki (nawet
powyżej 10 dB) mogą występować tylko na
niektórych częstotliwościach, w czasie od
sekundy do kilku minut – zaniki selektywne
Zjawisko luksemburskie
• Przy odbiorze niektórych stacji w porze
nocnej pojawia się przesłuch modulacji
innej stacji pracującej na odległej
częstotliwości
• Występuje, gdy fale od dwóch nadajników
rozchodzą się po częściowo wspólnej
drodze w jonosferze
Fale krótkie
• Obejmują zakres od 3 (zasięg kilkudziesięciu
kilometrów) do 30 MHz (do kilku kilometrów)
• Podstawowym mechanizmem rozchodzenia się
jest fala jonosferyczna wieloskokowa
• Podczas wzmożonej aktywności Słońca mogą
wystąpić zaniki powszechne (od kilku minut do
kilku godzin – dłużej dla mniejszych
częstotliwości)
• Występuje efekt Dopplera, echo, zjawisko
wielodrogowości, itp..
Zjawisko Dellingera – zanik
powszechny
• Przy nagłym wzroście jonizacji warstwy D
(promienie ultrafioletowe przy burzy słonecznej)
może wystąpić nawet kilkugodzinny zanik
odbioru fal krótkich na półkuli oświetlonej
słońcem.
• Podobny efekt spowodowałby wybuch jądrowy
(dla całej Ziemi, na kilka minut)
• W ciągu doby po zaniku powszechnym
występuje zwykle burza magnetyczna
(zaburzenie ziemskiego pola magnetycznego)
Fale ultrakrótkie i mikrofale
Wielodrogowość fal ultrakrótkich i mikrofal
Echo
• Echo spowodowane zmianą wysokości
jonosfery (sygnał przychodzi bezpośrednio
i po okrążeniu Ziemi – 0,14s)
• Echo spowodowane wielodrogowością –
do 1 ms
• Echo powoduje przekłamania przy
transmisji danych!!
Rozchodzenie się fal ultrakrótkich i
mikrofal
• Badanie przebiegu wiązki przeprowadza się
najczęściej zgodnie z prawami optyki
geometrycznej. Należy rozważać wszystkie
przeszkody (lasy, jeziora, budynki, wąwozy, itd.)
• Przy ruchomych źródłach i odbiornikach stosuje
się śledzenie położenia (adaptacyjne układy
antenowe), zwiększenie mocy, przeplot
częstotliwości, korektory echa, itd.
Kompatybilność systemów
radiokomunikacyjnych
• Kompatybilność wewnętrzna – zapewnienie
dostatecznego marginesu bezpieczeństwa
wszystkim obiektom wchodzącym w skład
systemu – np. komórki tej samej sieci leżące
obok siebie nie mogą się wzajemnie zakłócać
• Środowisko elektromagnetyczne – tworzone
przez naturalne pola istniejące w otoczeniu
Ziemi oraz pola powstające w wyniku
działalności człowieka
• Kompatybilność zewnętrzna – rozpatrywany
obiekt w znikomym stopniu oddziaływuje
degradująco na środowisko i jednocześnie jest
mało podatny na oddziaływanie ze strony
środowiska