Раздел 1. Распространение радиоволн на спутниковых и радиорелейных линиях связи. Антенно-фидерные устройства спутниковых и радиорелейных систем передачи данных

Лекция 2. Распространение радиоволн в свободном пространстве

План лекции:

1. Энергетические соотношения в условиях свободного пространства.

2. Область пространства, существенно участвующая в формировании поля на заданной линии радиосвязи.

3. Распространение земной волны.

4. Ослабление радиоволн в атмосфере. Помехи радиоприему.

1. Энергетические соотношения в условиях свободного пространства

В свободном пространстве, амплитуда напряженности электрического поля в точке наблюде­ния (точке приема) определяется

, (1)

где - мощность, подводимая к передающей антенне; G₁ - коэффи­циент усиления передающей антенны относительно изотропного из­лучателя; r - расстояние от точки передачи до точки приема.

Произведение = называют эквивалентной мощнос­тью излучения, которую надо подвести к ненаправленной антенне, что­бы получить в точке приема такую же напряженность поля, как от на­правленной антенны с коэффициентом усиления G₁ к которой подве­дена мощность .

Из выражения 1 следует, что даже в свободном пространстве, среде без потерь, напряженность поля в точке приема убывает обратно пропор­ционально расстояния, что обусловлено уменьшением плотности мощности (среднего за период колебаний значения вектора Пойнтинга) при удалении от источника.

При расчете и проектировании радиолиний, особенно в диапа­зонах сантиметровых и дециметровых волн, необходимо знать мощ­ность сигнала на входе приемника. Эта мощность определяется различно для радиолиний двух типов. На радиолинии I типа передача информации ведется непосредственно из пункта передачи в пункт при­ема (рисунок 1). На радиолиниях II типа принимаются сигналы, испы­тавшие пассивную ретрансляцию на пути от передатчика к приемнику (рисунок 2). На этих линиях непосредственная передача энергии волны от источника до точки приема по каким-либо причинам невозможна (например, этот путь перекрыт препятствием).

Рисунок 1. Радиолиния I типа

На наземных радиоли­ниях с пассивной ретрансляцией на пути распространения имеется специальное антенное устройство, которое облучается первичным по­лем и переизлучает его в виде вторичного поля, предназначенного для приема.

Рисунок 2. Радиолиния II типа

На любой радиолинии мощность на входе приемника Р₂ связана с плотностью потока мощности в месте приема П₂ соотношением

где - КПД фидера приемной антенны; - действующая площадь приемной антенны. На радиолинии I типа в условиях свободного пространства плот­ность потока мощности в месте приема определяется

где Р₁, η₁, G₁, r указаны на рисунке 1.

Подставляя (4) в (3), получаем для радиолинии I типа мощ­ность на входе приемника в условиях свободного пространства:

На радиолинии II типа значение П₀₂ зависит от тех же парамет­ров, что и на линии I типа, и, кроме того, от переизлучающих свойств ретранслятора. Если какое-либо тело облучается полем, то его способ­ность переизлучать это поле оценивается эффективной площадью рас­сеяния σ_эф (ЭПР). Величина ЭПР зависит от формы, размеров, элект­рических свойств материала, из которого выполнен переизлучатель, а также от его ориентации относительно направления распространения первичного поля и направления на прием.

Если около переизлучающего тела плотность потока мощности первичного поля то переизлучающаяся мощность определяется

а плотность потока мощности вторичного поля вблизи приемной ан­тенны в условиях свободного пространства

Согласно выражениям (3, 5, 6) мощность на входе приемника для радиолинии 2 типа составляет

В тех случаях, когда =

Из выражений (7) и (8) видно, что в свободном пространстве при от­сутствии пассивного ретранслятора на линии мощность на входе при­емника уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, а при работе с ретранслятором - обратно пропорционально четвертой степени. Такое быстрое убывание поля на линиях II типа объясняется тем, что поле дважды испытывает расходимость: первичное поле - на пути от источника (передающей антенны) до ретранслятора и вторич­ное поле - на пути от источника (ретранслятора) до пункта приема.

При проектировании систем удобно иметь сведения о потерях при передаче электромагнитной энергии. Потерями передачи L назы­вают отношение мощности, подводимой к передающей антенне, к мощности на входе приемной антенны:

где P₁ - мощность на выходе передатчика; Р₂ - мощность на входе приемника.

Для радиолинии I типа в условиях свободного пространства со­гласно (9) Расчеты упрощаются, если в выражении (10) выделить составляющую L₀, которая характеризует потери, обусловленные расходимостью вол­ны при . Составляющая L₀ называется основными потеря­ми передачи в условиях свободного пространства:

L₀ = (4π r/λ)². (11)

Полные потери передачи обычно выражают через L₀. Так, вмес­то (10) можно записать

Для радиолинии II типа в условиях свободного пространства при

согласно (8) и (9) потери передачи

В случае реальных сред, отличных по своим свойствам от сво­бодного пространства, вводят так называемый множитель ослабления:

= / ₀ =Vexp(-iφ_v),

где V - модуль множителя ослабления, который оценивает дополни­тельное ослабление амплитуды напряженности поля по сравнению с ее ослаблением в условиях свободного пространства; φ_v - фаза мно­жителя ослабления, которая оценивает дополнительное изменение фазы волны.

Потери передачи на радиолиниях I типа потери определяются

а на радиолиниях II типа (при )

где V₁ и V₂ - множители ослабления соответственно на первом и вто­ром участках радиолинии.