1.1. Классификация радиоволн по частотным полосам и способам распространения

В радиотехнических системах различного назначения используется спектр частот электромагнитных колебаний от 3 10³ до 3 10¹⁵ Гц. В дальнейшем, однако, основное внимание будет уделено наиболее употребительной средней части этого спектра. Это предопределено тем, что полоса частот ниже 30 кГц мало информационно емкая и используется системами достаточно узкоспециального применения (служба точного времени, морская навигация, подземная и подводная связь). В подробном исследовании особенностей распространения радиоволн этих частот в данном случае нет необходимости. В свою очередь, оптический диапазон (частоты выше 300 ГГц) характеризуется многими особенностями во взаимодействии электромагнитных волн со средой, технической реализации аппаратуры, расчетных методов исследования, поэтому требует специального рассмотрения, выходящего за рамки данного пособия.

По способам распространения радиоволн и связанными с ними требованиями к построению аппаратуры радиолиний весь спектр частот разбит на полосы, границы которых закреплены международными соглашениями и приведены в «Регламенте радиосвязи». Он, в свою очередь, является сводом правил эксплуатации устройств, излучающих электромагнитные волны в радиодиапазоне. «Регламент радиосвязи» разрабатывается рабочими подразделениями Международного Союза Электросвязи (МСЭ) – одного из важнейших органов ООН. В нем приведены: классификация излучающих устройств по сфере применения; порядок использования участков диапазона, распределенных для различных видов коммуникаций (радиосвязь, радиолокация, радионавигация радиовещание, спутниковая связь, радиолюбительская связь и т.д.); условия использования радиочастот отдельными службами (видами коммуникаций) в различных регионах мира; правила закрепления (присвоения) частот за определенными радиостанциями; ограничения, налагаемые на радиослужбы с целью обеспечения их совместной работы; меры борьбы с взаимными помехами; порядок установления и ведения радиосвязи. «Регламент радиосвязи» принят и корректируется на всемирных конференциях МСЭ, которые проводятся с заранее оговоренной периодичностью. Соблюдение правил Регламента радиосвязи возлагается в каждой стране на специальный орган – администрацию. В России роль администрации возложена на Совет министров.

Сведения о полосах интересующей нас части частотного диапазона радиоволн приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Номер полосы	Частоты	Наименование полосы	Длина волны в свободном пространстве		Метрическое подразделение волн
5	30–300кГц	Низкие (НЧ)	10 – 1 км		Километровые
6	0,3– 3МГц	Средние (СЧ)	1000 – 100 м		Гектометровые
7	3 – 30 МГц	Высокие (ВЧ)		100 – 10 м	Декаметровые
8	30 – 300 МГц	Очень высокие(ОВЧ)		10 – 1 м	Метровые
9	0,3 - 3 ГГц	Ультра высокие(УВЧ)		1 – 0,1 м	Дециметровые
10	3 – 30 ГГц	Сверх высокие(СВЧ)		10 – 1 см	Сантиметровые
11	30 – 300 ГГц	Крайне высокие(КВЧ)		10 – 1 мм	Миллиметровые

В таблицу не включены, по приведенным ранее причинам, данные о полосах: 4 – «Очень низкие частоты (ОНЧ) и 12 – «Гигавысокие частоты (ГВЧ)», которые так же относятся к радиодиапазону. Более полные данные об обозначениях полос частот и сигналов приведены в приложениях.

На распространение радиоволн оказывают влияние многие факторы: электрофизические характеристики атмосферы и поверхности Земли; взаимное расположение (координаты и высоты подвеса) приемной и передающей антенн; наличие отражающих препятствий; длина трассы и т.д. Их влияние имеет резко выраженный частотно-зависимый характер и приводит к необходимости различным образом проектировать радиолинии для каждой из выделенных частот.

Для расчета радиолинии необходимо вначале получить её математическую модель, которая определяется возможными физическими путями распространения радиоволн. Учет всех влияющих факторов обычно приводит к большому количеству возможных путей распространения, поэтому возникает необходимость систематизировать их. Основной задачей является выбор наиболее вероятного при выполнении определенных начальных условий. В дальнейшем, преобладающий физический путь распространения радиоволн на данной частоте при выполнении заданных исходных условий будем называть регулярным механизмом распространения. В свою очередь, способы распространения, не являющиеся основными или получающиеся при выполнении редко встречающейся в реальных условиях комбинации влияющих факторов, будем называть нерегулярными механизмами распространения.

Н аиболее часто использующиеся в реальных радиолиниях регулярные механизмы распространения приведены на рис. 1.1. Каждый из них характерен для определенных полос частот и при выполнении конкретных требований к характеристикам антенн, передатчиков и приемников.

Рис.1.1

На рис. 1.1 а изображены два возможных варианта механизма распространения свободно распространяющейся волной. Второй вариант является типичным для радиолокации. Обязательными исходными условиями при данном механизме являются однородность параметров среды распространения и отсутствие переотражающих поверхностей. Такие условия могут быть выполнены или в космическом пространстве или при небольшом расстоянии между приемником и источником электромагнитного поля в атмосфере, когда неоднородностью её параметров можно пренебречь. Расчет радиолиний, использующих этот механизм, достаточно прост и в большинстве случаев не требует использования сложных математических методов.

Механизм распространения отраженной волной, изображенный на рис. 1.1б, обычно наблюдается вместе с распространением свободно распространяющейся волной. Например: в радиорелейной связи при недостаточно направленных антеннах, имеющих большой уровень излучения в направлении поверхности Земли; при телевизионном вещании; в случае размещения приемной или передающей антенн вблизи протяженной отражающей поверхности (корпуса ракеты, фюзеляжа самолета и т.п.). В простейшем случае, когда отражающую поверхность можно считать бесконечной идеально проводящей плоскостью, расчет радиолинии так же не составляет затруднений. В общем случае, если хотя бы один из параметров не отвечает таким требованиям, строгий расчет становится затруднительным и используются расчетные модели с различной степенью приближения.

Распространению радиоволн вдоль границы раздела - воздух – поверхность Земли соответствует механизм распространения земной (поверхностной) волной (см. рис. 1.1в). Он, в основном, определяется дифракцией (огибанием) радиоволн на сферической поверхности Земли. В наибольшей степени этот механизм проявляется при соизмеримости размеров сферы с длиной волны, то есть для длинноволнового диапазона (длина волны больше 1км). Если Землю заменить идеальной проводящей сферой, расчет радиолинии можно сделать строго, хотя и по достаточно громоздким соотношениям. В случае невозможности такой замены точный расчет сопряжен с известными математическими трудностями.

Под действием солнечного излучения верхние слои атмосферы ионизируются, что приводит к изменению электрофизических характеристик среды распространения. Изменения эти сравнительно плавные, но имеют слоистый характер. Эта область атмосферы называется ионосферой. Неоднородность электрических характеристик среды распространения от высоты (плавное уменьшение коэффициента преломления с ростом высоты) приводит к искривлению лучей в направлении земной поверхности. С учетом радиуса Земли и характеристик ионосферы радиоволны с частотами до 20 – 30 МГц могут полностью вернуться на земную поверхность («отразиться» от ионосферы). Механизм распространения за счет многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли приведен на рис. 1.1г. Волна, распространяющаяся по такому механизму, носит название - ионосферной или пространственной. Для расчета радиолинии, в данном случае, необходимо иметь информацию о параметрах и структуре ионосферы и земной поверхности, которые имеют как регулярную, так и случайную изменчивость. Поскольку такую информацию в полном объеме получить невозможно, то строгий расчет затруднен. В реальной практике используют набор математических моделей с разной степенью приближения.

В атмосфере, особенно в нижней части ионосферы и содержащей много влаги тропосфере, всегда имеются локальные неоднородности (ионизированные следы метеоров, облака, скачки давления и температуры и т.д.). Хотя изменения электрофизических характеристик в неоднородностях ионосферы и тропосферы различны по своей природе, их наличие приводит к возможности распространения радиоволн по механизму рассеянной волны (рис. 1.1д). Параметры рассеивающего объема постоянно изменяются, что создает большие затруднения при моделировании таких радиолиний и требует большой доли экспериментальных исследований для каждого конкретного случая размещения передающего и приемного центров.

Изображенный на рис. 1.1е механизм распространения на радиолинии связи с космическим объектом или с использованием его в качестве ретранслятора называется – распространение прямой волной. Особенностью такого механизма, наряду с большой протяженностью радиолинии (иногда более 40 тысяч километров), является то, что радиоволны распространяются через всю толщу атмосферы и космическое пространство. Расчет проводят отдельно для этих двух частей трассы и при этом считают, что в космосе распространение происходит свободно распространяющейся волной. Наибольшую сложность представляет расчет «атмосферной» части, так как она имеет изменяющиеся параметры среды распространения, а длина трассы в атмосфере зависит от угла возвышения космического объекта (спутника) над горизонтом.

В зависимости от длины радиолинии и частоты, в точке приема обычно преобладает составляющая поля, обусловленная одним из возможных механизмов распространения. Наличие других, чаще всего, затрудняет обработку сигнала и рассматривается как помеха. Подбор и регулировка технических характеристик аппаратуры, обеспечивающих устойчивую работу системы на заданном механизме распространения, являются важнейшими задачами разработки и эксплуатации линии связи. Их можно решить с высокой точностью только при условии знания фактических процессов, происходящих в атмосфере Земли, так как именно она является средой распространения в большинстве механизмов.