Почему дальность действия передающей телевизионной станции ограничена линией горизонта

Опубликовано: 25.11.2021

2-й семестр

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

4. Электромагнитные колебания и волны

УРОК 13/55

Тема. Радиолокация. Телевидение

Цель урока: объяснить принцип радиолокации и принцип передачи и приема телевизионного изображения.

Тип урока: урок изучения нового материала.

1. В чем заключается модуляция?

2. В чем заключается детектирования?

3. Распространение радиоволн.

1. Видео-фрагменты фильма «Радиолокация».

2. Принцип действия кинескопа.

3. Видео-фрагменты фильма «Физические основы телевидения».

Изучение нового материала

1. Принцип работы радиолокатора.

2. Применение радиолокации.

3. Понятие о телевидении.

4. В чем преимущество спутникового телевидения.

Закрепление изученного материала

1. Качественные вопросы.

2. Учимся решать задачи.

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Еще в опытах Герца наблюдалось отражения электромагнитных волн от препятствий. Это явление используют для радиолокации.

Ø Радиолокация - обнаружение и точное определение местоположения объектов с помощью радиоволн.

Заметное отражение радиоволн происходит в том случае, когда линейные размеры цели превышают длину волны, на которой работает радиолокатор. Поэтому радиолокационные станции работают в диапазоне дециметровых, сантиметровых и даже миллиметровых волн.

Показав ученикам блок-схема радиолокационной станции, следует остановиться на основных принципах радиолокации:

1) создание гостронапрямленого радио-луча;

2) отражение волн от найденного объекта;

3) прием отраженного сигнала, что указывает на наличие найденного объекта на пути радиоволн;

4) определение времени между излучением и приемом радиосигнала для вычисления расстояния до найденного объекта. Определение расстояния осуществляется путем измерения общего времени прохождения радиоволн до цели и обратно. Так как скорость радиоволн с = 3 108м/с в атмосфере практически постоянна, то


Вследствие рассеяния радиоволн до приемника доходит лишь незначительная часть той энергии, которую излучает передатчик. Поэтому приемники радиолокаторов усиливают принятый сигнал в 1012 раз.

Наиболее широко применяют радиолокацию на флоте, в авиации и в космонавтике. Радиолокационные установки обеспечивают безопасное движение судов по любой погоды и любого времени суток. Применение радиолокационных установок на аэродромах делает безопасными взлет и посадку самолета при любых условиях.

С помощью радиолокаторов метеорологи исследуют облака. Благодаря радіолокаторам, установленным на космических аппаратах, ученые изучают рельеф многих планет. Например, Венера всегда скрыта от нашего взора толстым слоем облаков, но с помощью локации были получены снимки поверхности планеты. Значительную роль в исследовании планет Солнечной системы сыграли радиотелескопы. С помощью локаторов наблюдают метеоры в верхних слоях атмосферы.

Заметное значение имеет радиолокация в военном деле. Войска ПВО могут вовремя обнаружить самолеты или ракеты.

Принципиальная схема получения и приема телевизионного сигнала почти не отличается от схемы радиотелефонной связи, но тут есть несколько особенностей.

Телевизионный сигнал несет гораздо больше информации, чем радиотелефонная. В телепередатчики колебания частоты-носителя модулируют как звуковым сигналом, так и видеосигналом, поступающего от видеокамеры.

В основу телевизионного передачи изображений положено три физических процесса:

1) преобразование оптического изображения в электрические сигналы;

2) передача электрических сигналов по каналам связи;

3) преобразование переданных электрических сигналов в оптическое изображение.

Изображение кадра преобразуется с помощью передающей вакуумной электронной трубки - иконоскопа в серию электрических сигналов. Внутри иконоскопа расположен мозаичный экран, на котором с помощью оптической системы проецируется изображение объекта. Каждая ячейка мозаики заряжается, причем ее заряд зависит от интенсивности света, падающего на ячейку. Этот заряд меняется в случае попадания на ячейку электронного пучка, создаваемого электронной пушкой. Электронный пучок последовательно попадает на все элементы сначала одной строки мозаики, затем другой строки и др. (всего 625 строк за 1/25 секунды).

Процесс последовательного преобразования оптического изображения в электрические сигналы называется разверткой изображения.

Видеосигнал, что образуется, содержит информацию об изображении. Этими сигналами модулируют затем колебания, которые производит генератор высокой частоты.

Модулированные видеосигналом высокочастотные колебания подаются в антенну и излучаются ею в пространство. Одновременно второй передатчик осуществляет передачу сигнала звукового сопровождения.

Телевизионный приемник преобразует полученный видеосигнал в видимое изображение на экране приемной электронно-лучевой трубки - кинескопа. Электронная пушка такой трубки оборудована электродом, что управляет числом электронов в пучке, а следовательно, и свечением экрана в месте попадания луча. Системы катушек горизонтального и вертикального отклонения заставляют электронный луч обегать весь экран в такой же способ, как электронный луч обегает мозаичный экран в передающей трубке. Синхронность движения лучей в передающей и приемной трубках достигают путем ссылки специальных синхронізувальних сигналов.

Особенности ультракоротких волн обеспечили их широкое применение в спутниковом телевидении.

Спутниковое телевидение - система передачи телевизионного сигнала от передающего центра к потребителю через искусственный спутник Земли, расположенный на геостационарной околоземной орбите.

С центральной управляющей станции на спутник передают высокочастотный сигнал. Передатчик, установленный на спутнике, передает этот сигнал на Землю. Приемное устройство состоит из спутниковой тарелки, конвертора, что снижает частоту принимаемого сигнала и приемника.

Преимуществом спутникового телевидения является то, что можно принимать тысячи телевизионных каналов, находясь на большом расстоянии от передающих телевизионных центров.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. На каких принципах базируется работа радиолокатора?

2. Почему для радиолокации используют электромагнитные волны очень малой длины?

3. Почему антенна радиолокационной станции вращается?

4. Радиоволны какого диапазона используют для телевещания?

5. Почему устойчивый прием телевизионного передачи возможен только в пределах видимости излучательной антенны?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1. Почему радиолокационная установка должна посылать радиосигналы в виде коротких импульсов, идущих через равные промежутки времени один за одним?

2. Прибор в радиолокационной установке служит для измерения времени между отправлением сигнала и приемом отраженного импульса?

3. Почему дальность действия передающей телевизионной станции ограничена линией горизонта?

4. Зачем передающие антенны телецентров располагают на многометровых вышках?

1. Длительность импульса радиолокатора tiMn = 2 мкс, а промежуток времени между импульсами Δ t = 0,6 мс. Определите максимальное и минимальное расстояние определение целей этим радиолокатором.

2. Антенна корабельного радиолокатора находится на высоте h = 20 м над водой. На каком наибольшем расстоянии этот радиолокатор может обнаружить ночью спасательный плот, если волн на море нет? Радиус Земли 6400 км.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Радиолокация - обнаружение и точное определение местоположения объектов с помощью радиоволн: R = ct /2.

• Процесс последовательного преобразования оптического изображения в электрические сигналы называется разверткой изображения.

• Спутниковое телевидение - система передачи телевизионного сигнала от передающего центра к потребителю через искусственный спутник Земли, расположенный на геостационарной околоземной орбите.

1. Подр-1: § 35 (п. 5), § 36 (п. 6, 7); подр-2: § 18 (п. 3, 4).

Рів1 № 12.3; 12.6; 12.7; 12.22.

Рів2 № 12.45; 12.46; 12.47; 12.49.

Рів3 № 12.51, 12.52; 12.62; 12.64.

3. Д: подготовиться к самостоятельной работе № 9.

ЗАДАНИЯ ИЗ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ № 9 «ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ»

Задание 1 (1,5 балла)

На рисунке показана схема модуляции электромагнитной волны.


А Частота электромагнитной волны намного меньше, чем частота звуковых колебаний.

Б Амплитуда высокочастотных колебаний изменяется со звуковой частотой.

В Микрофон усиливает звуковые колебания.

Г Звуковые колебания вырабатывает генератор колебаний.

Теорию электромагнитных явлений разработал английский физик Дж. Максвелл во второй половине XIX века.

А Максвелл предположил, что свет - это разновидность электромагнитных волн.

Бы Электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом, обнаружил опытным путем английский физик Майкл Фарадей.

В Максвелл предположил, что постоянные электрическое и магнитное поля, взаимно порождая друг друга, могут распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн.

Г Электромагнитные волны могут излучаться только такими, что находятся в покое, или движущимися равномерно заряженными частицами.

Задача 3 имеет целью установить соответствие (логическая пара). К каждой строке, обозначенного буквой, подберите утверждение, обозначенное цифрой.

А Принцип радиосвязи.

1 Процесс выделения звуковых колебаний из принятых высокочастотных колебаний.

2 Процесс передачи и приема информации с помощью радиоволн.

3 Процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотных колебаний по закону передаваемого сообщения.

4 Процесс преобразования звуковых колебаний в электрические.

5 Процесс обнаружения объектов и определения их местоположения с помощью радиоволн.

Индуктивность катушки колебательного контура 0,5 мГн. Требуется настроить этот контур на частоту 1 МГц. Какой должна быть емкость конденсатора в этом контуре?

- распространение радиоволн на расстояния, превышающие расстояние прямой видимости. Расстояние прямой видимости R ПВ определяется как расстояние между точками А и В (пункты передачи и приёма радиоволн), при к-ром соединяющая их линия (линия горизонта) касается земной поверхности (рис. 1). Оно равно

025_044-78.jpg

где a = 6370 км - радиус Земли; h 1 ,h 2 - высоты приёмной и передающей антенн. 3. р. р. (R>R ПВ ) может осуществляться вследствие дифракции радиоволн вокруг земной поверхности, из-за рефракции радиоволн в неоднородной атмосфере Земли и их переизлучения мелкомасштабными неоднородностями атмосферы, а также благодаря применению ретрансляции. Дифракция радиоволн вокруг сферич. поверхности Земли играет важную роль для 3. р. р. ДВ-диапазона. Существенной оказывается канализация радиоизлучения в волноводе Земля - ионосфера, поэтому расчёты характеристик распространения длинных и сверхдлинных радиоволн проводят с учётом волноводного распространения радиоволн (см. также Распространение радиоволн).

025_044-79.jpg

Рефракция радиоволн в неоднородной атмосфере Земли определяет 3. p. p. KB- и УКВ-диапазонов. 3. р. р. УКВ-диапазона в тропосфере возможно в условиях сверхрефракции. При этом волна, излучённая в точке А под углом j 0 к поверхности Земли, отражается от тропосферына высоте h и приходит в точку В, удалённую на расстояние R (рис. 2):

025_044-80.jpg

где e (z) - диэлектрич. проницаемость среды (тропосферы) на высоте z. Высота h определяется из равенства

025_044-81.jpg

Расстояние R, как правило, заметно превышает величину R ПВ , особенно в условиях существования атм. волновода, когда, в частности, возможно 3. р. р. за счёт последоват. отражений УКВ-сигналов от тропосферы и земной поверхности. 3. р. р. КВ-диапазона в обычных условиях осуществляется также путём последоват. отражений коротких волн от ионосферы и Земли.

025_044-82.jpg

При этом дальность одного скачка (рис. 2) определяется из формул (1), (2). Кроме того, возможно 3. р. р. УКВ-и КВ-диапазонов за счёт распространения их соответственно в атм. и в ионосферном волноводных каналах. R ПВ , располагают один или несколько (C 1 , С 2 , . . ., С п )спец. приёмно-передающих пунктов (ретрансляторов) в пределах зоны прямой видимости отд. пар корреспондирующих пунктов (рис. 3). Радиоретрансляторы используют в линиях космич. связи для передачи информации на большие расстояния через ИСЗ и в тропосферных радиорелейных линиях.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

  • ЖУРДЕНА ПРИНЦИП
  • ЗАЖИГАНИЯ КРИТЕРИЙ

Смотреть что такое "ЗАГОРИЗОНТНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН" в других словарях:

загоризонтное распространение — Распространение радиоволн за пределами прямой видимости, которое обусловлено тремя основными факторами: явлением сверхрефракции, переизлучением в неоднородной тропосфере и отражением от слоев ионосферы. Дальность связи при загоризонтном… … Справочник технического переводчика

РАССЕЯНИЕ РАДИОВОЛН — образование вторичного излучения, источниками к рого являются неоднородности вещества, возбуждаемые полем первичной волны. Степень когерентности излучения таких вторичных источников определяется корреляц. связями поля не однородностей среды.… … Физическая энциклопедия

УЛЬТРАКОРОТКИЕ ВОЛНЫ — (УКВ) традиционное название диапазона радиоволн, объединяющего метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны (или диапазоны очень высоких частот ОВЧ, ультравысоких частот УВЧ, сверхвысоких частот СВЧ, крайне высоких частот КВЧ).… … Физическая энциклопедия

ЗЕМНАЯ ВОЛНА — радиоволна, распространяющаяся в однородной атмосфере вблизи поверхности Земли. В формировании 3. в. важную роль играет область поверхности Земли, существенная для отражения. Это область первых зон Френеля, образующихся при пересечении с… … Физическая энциклопедия

МЕТРОВЫЕ ВОЛНЫ — радиоволны в диапазоне частот от 30 до 300 МГц (длины волн 1 10 м). M. в. распространяются преим. как земные волны в пределах прямой видимости на расстояния до неск. десятков км. Характеристики распространения M. в. существенно зависят от рельефа … Физическая энциклопедия

РАССЕЯНИЕ ВОЛН — возмущения волновых полей, вызываемые неоднородностями среды и помещёнными в эту среду рассеивающими объектами. Допустимо различать три осн. вида рассеяния. 1. Р. в. на одиночных объектах в однородной среде. Это могут быть одиночные частицы… … Физическая энциклопедия

ДЛИННЫЕ ВОЛНЫ — радиоволны с длиной волны от 104 до 103 м (диапазон частот 30 300 кГц). Загоризонтное распространение радиоволн ДВ диапазона осуществляется в виде земной волны (на расстояние до 2000 км) или благодаря их многократному отражению от стенок сферич.… … Физическая энциклопедия

РЕТРАНСЛЯЦИЯ — (от лат. ге приставка, здесь означающая повторность … Физическая энциклопедия

загоризонтная связь — Связь между станциями, расположенными за пределами прямой видимости, при которой не используются какие либо активные или пассивные ретрансляторы. Загоризонтное распространение радиоволн осуществляется за счет эффектов дифракции, рефракции и… … Справочник технического переводчика

КОРОТКИЕ ВОЛНЫ — (декаметровые волны) радиоволны в диапазоне длин волн от 10 до 100 м (30 3 МГц). На характер их распространения сильно влияет ионосфера Земли. Загоризонтное распространение К. в. осуществляется преим. путём их отражения от ионосферы или… … Физическая энциклопедия

Распространение радиоволн всвободном пространстве зависит от свойств поверхности Земли и свойств атмосферы. Условия распространения радиоволн вдоль поверхности Земли в значительной мере зависят от рельефа местности, электрических параметров земной поверхности и длины волны. Радиоволнам, как и другим волнам, свойственна дифракция, т.е. явление огибания волнами препятствий. Наиболее сильно дифракция сказывается в случае, когда геометрические размеры препятствий соизмеримы с длиной волны. Радиоволны, распространяющиеся у поверхности Земли и частично за счет дифракции огибающие выпуклость земного шара, называются земными,или поверхностнымирадиоволнами.

Атмосферу Земли нельзя считать однородной средой. Давление, плотность, влажность, диэлектрическая проницаемость и другие параметры в разных объемах воздушного слоя имеют различные значения. По этим причинам скорости распространения в различных объемах неодинаковы и зависят от длины волны. Траектория радиоволн в атмосфере искривляется. Явление искривления или преломления радиоволн при распространении их в неоднородной среде получило название рефракции.

Радиоволны, распространяющиеся на большой высоте в атмосфере и возвращающиеся на Землю вследствие искривления траектории, рассеяния или отражения от атмосферных неоднородностей, называютсяпространственными,или ионосферными.В точку приема могут приходить как пространственная, так и земная волны от одного и того же источника. Если фазы колебаний этих волн совпадают, то амплитуда суммарного поля возрастает, и наоборот - при сдвиге фазы волн на 180° суммарное поле ослабляется и может стать равным нулю. Указанное явление называется интерференцией.

Влияние Земли и атмосферы на распространение радиоволн.Атмосферойназывается газообразная оболочка Земли, простирающаяся на высоту более 1000 км. С точки зрения распространения радиоволн атмосферу Земли разделяют на три области, обладающие определенными отражающими и поглощающими свойствами: тропосферу (простирающуюся от поверхности Земли до высоты 10. 15 км); стратосферу (ограниченную снизу тропосферой, а сверху высотой примерно 60. 80 км) и ионосферу (лежащую за пределами стратосферы вплоть до высот 15. 20 тыс. км), представляющую собой ионизированный воздушный слой малой плотности над стратосферой, переходящий затем в радиационные пояса Земли.

Под влиянием лучей Солнца, космических лучей и других факторов воздух ионизируется, т.е. часть атомов газов, входящих в состав воздуха, распадается на свободные электроны и положительные ионы. Ионизированный воздух оказывает сильное влияние на распространение радиоволн.

Как известно, воздух не вызывает ослабления радиоволн практически во всех диапазонах частот и, казалось бы, поэтому земная волна должна распространяться без поглощения. Однако это верно лишь в том случае, если земная волна проходит высоко над поверхностью Земли. Если же радиоволны проходят вблизи от поверхности Земли, то часть энергии волны отклоняется в землю. Происходит это потому, что скорость распространения радиоволн в земле меньше, чем в воздухе, и при движении их вдоль поверхности Земли нижний край волны отстает от верхнего, фронт волны наклоняется и помимо движения вдоль поверхности Земли происходит ее распространение сверху вниз.

Если бы поверхностный слой Земли был идеально проводящим, радиоволны отражались бы от него без потерь, т.е. поверхностный слой Земли в этом случае был бы экраном, препятствующим прохождению волн в глубь почвы. В реальных условиях поверхностный слой Земли не является ни идеальным проводником, ни идеальным изолятором. Радиоволны, попавшие в этот слой, возбуждают в нем переменные электрические токи, которые часть своей энергии расходуют на нагрев почвы. Величина потерь энергии в поверхностном слое Земли сильно зависит от частоты радиоволн и сопротивления почвы электрическому току. В почве с увеличением частоты радиоволн величина индицируемой ЭДС возрастает и соответственно увеличиваются токи поверхностного слоя Земли, которые создают электромагнитное поле обратного направления. Поэтому дальность распространения поверхностных волн очень быстро уменьшается с увеличением частоты.

При уменьшении проводимости грунта радиоволны глубже проникают в почву и, следовательно, возрастает их поглощение. Кроме того, с ростом частоты ухудшаются условия огибания (дифракции) радиоволнами препятствий.

Для построения многоканальных радиосистем передачи и систем подвижной радиосвязи в основном используются ультракороткие волны (УКВ) или радиоволны очень высоких (ОВЧ) и ультравысоких (УВЧ) частот, а также радиоволны сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот (см. табл. 1.1).

Этот диапазон радиоволн является наиболее широко используемым участком радиодиапазона. Большая частотная емкость этого диапазона и ограниченный пределами прямой видимости радиус действия позволяют разместить большое число одновременно работающих станций и осуществлять передачу информации в широкой полосе частот. Этот участок радиодиапазона позволяет одновременно передавать большое число телевизионных программ, организовать тысячи телефонных каналов аналоговых и цифровых систем передачи. Диапазон широко используется для радиолокации, радионавигации, связи с искусственными спутниками Земли. Диапазоны ОВЧ и УВЧ широко используются для телевидения, радиовещания и радиосвязи с подвижными объектами. Диапазоны СВЧ и КВЧ отведены для различных видов многоканальной связи.

Распространение ультракоротких волн.К ультракоротким волнам (УКВ) в соответствии с Международным регламентом радиосвязи относятся волны короче 10 м, охватывающие два диапазона: от 30 до 300 МГц (10. 1 м - метровые) и от 300 до 3000 МГц (1. 0,1 м - дециметровые волны).

Радиоволны этого диапазона распространяются в основном по прямолинейным траекториям, и им практически не свойственна дифракция, они слабо отражаются от тропосферы, и не испытывают регулярных отражений от ионосферы, уходя в космическое пространство.

Радиус действия систем передачи, работающих в этих диапазонах, ограничен в основном пределами прямой (оптической) видимости между передающей и приемной антеннами (рис. 1.8).


Рис 1.8. К определению расстояния радиовидимости

Незначительная дифракция радиоволн (огибание сферической поверхности Земли у горизонта) и слабая рефракция (отклонение направления распространения радиоволн от прямолинейного) в нижних слоях тропосферы несколько увеличивают расстояние радиовидимости (примерно на 15%), которое рассчитывается по формуле

где l0- расстояние радиовидимости, км; h1, и h2- высоты подвеса передающей и приемной антенн, м. Радиовидимость нельзя путать с прямой видимостью антенн.

Таким образом, если высота подвеса антенн h1 = h2= 25 м, то расстояние радиовидимости составит 41,2 км. Для осуществления связи на большие расстояния необходимо между пунктами А и Бустанавливать промежуточные станции (или ретрансляторы) либо поднимать антенны на большие высоты. Первый принцип используется в радиорелейных системах передачи, где станции располагаются на расстоянии 50. 70 км. Для увеличения зоны обслуживания телевизионного вещания используются антенны, расположенные на башнях большой высоты.

Связь в пределах радиовидимости характеризуется возможностью одновременного прихода в точку приема не только прямой волны, но и волны, отраженной от земной поверхности (рис. 1.9); рисунок построен в предположении, что расстояние между антеннами не превышает l ≤ 0,2l0, когда сферичностью поверхности Земли можно пренебречь и считать ее плоской.

Как следует из рис. 1.9, в точке А на высоте h1 над Землей расположена передающая антенна, а в точке Б на высоте h2 - приемная. Расстояние между антеннами равно l.


Рис. 1.9. Двулучевая модель распространения радиоволн в ОВЧ и УВЧ диапазонах

В точку Б приходят две волны: прямая (рис. 1.9, 1) и отраженная от земной поверхности в точке С (рис. 1.9, 2). В точке приема имеет место явление интерференции прямой и отраженной волн. Фазовый сдвиг между прямой и отраженной волнами равен

где к уже известным обозначениям добавились новые: λ - длина радиоволны и φс - фазовый сдвиг при отражении волны от земной поверхности в точке С.

При изменении любой из величин h1, h2или l, определяющих разность хода прямой (рис. 1.9, 1) и отраженной (рис. 1.9, 2) волн, изменяются условия их интерференции и напряженность поля приемной антенны будет иметь резко осциллирующий характер, при котором имеют место интерференционные максимумы и минимумы.

Интерференционные максимумы появляются при условии, что прямая и отраженная волны приходят в точку приема с одинаковыми фазами, т.е.

и, следовательно, происходит как бы усиление напряженности поля в точке приема.

Если прямая и отраженная волны приходят в точку приема в противофазе, т.е.

то имеют место интерференционные минимумы и, следовательно, происходит ослабление напряженности поля в точке приема.

Если расстояние между передающей и приемной антеннами l > 0,2l0, то следует учитывать сферичность земной поверхности. Она проявляется в уменьшении разности хода прямой и отраженной волн, а также в расходимости отраженной волны. Для учета влияния сферичности на разность хода вместо истинных высот антенн h1 и h2вводятся приведенные высоты, определяемые как высоты антенн над плоскостью, касательной к поверхности Земли в точке отражения С.

Расходимость волны при отражении ее от сферической поверхности проявляется в увеличении телесного угла отраженной волны по сравнению с телесным углом падающей волны. При этом плотность потока мощности отраженной волны уменьшается по сравнению со случаем отражения волны от плоской поверхности.

Интерференционные явления могут быть сведены до минимума оптимальным подбором высот антенн, расстояний между ними и длины волны.

Особенности распространения радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов или сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот.

Такие радиоволны распространяются от источника излучения к месту приема подобно волнам света - в виде прямолинейных лучей. Необходимым условием для распространения таких радиоволн является отсутствие на их пути экранирующих (затеняющих) препятствий. Связано это с тем, что эти радиоволны обладают крайне слабой способностью дифрагировать на препятствия (огибать препятствия). Считается, что радиус действия технических средств СВЧ и КВЧ диапазонов ограничивается расстоянием прямой видимости (не путать с прямой радиовидимостью).

Другими словами, передающая и приемная антенны должны находиться на одной прямой - «видеть» друг друга. На наземных линиях радиосвязи расстояние прямой видимости определяется высотой подвеса передающей и приемных антенн и обычно не превышает 40. 60 км. Однако это обстоятельство не мешает строить наземные линии радиосвязи протяженностью в сотни и тысячи километров. В этом случае, как отмечалось выше, используется принцип последовательной ретрансляции сигналов (см. рис. 1.6). Так строятся радиорелейные линии связи прямой видимости.

Радиоволны нижней части СВЧ диапазона (до 3. 5 ГГц) обладают свойством рассеяния на неоднородностях тропосферы - нижней части атмосферы Земли (от нескольких сотен метров до 10..12 км). В ней всегда есть локальные объемные неоднородности, вызванные различными физическими процессами. Эти неоднородности обладают свойством переизлучения радиоволн, падающих на них. Энергия переизлучения волн может улавливаться приемной антенной, находящейся далеко за пределами прямой видимости. Механизм тропосферного рассеяния радиоволн называют дальним тропосферным распространением радиоволн,позволяющим создавать так называемые тропосферные радиорелейные линии с расстоянием между станциями передачи и приема 300. 500 км.

Для рассматриваемых диапазонов также характерно явление интерференции радиоволн прямых, идущих к месту приема непосредственно от источника излучения, и отраженных от тех или иных объектов (поверхности Земли, зданий и т. п.).

На распространение радиоволн СВЧ и КВЧ диапазонов заметное влияние оказывают метеорологические процессы, происходящие вдоль трассы радиолинии: дождь, снег, туман. Считается, что эти влияния тем сильнее, чем выше частота (короче длина волны).

1.3. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН И ЗОНА УВЕРЕННОГО ПРИЕМА

Уверенным приемом называют такие условия приема передач, когда независимо от погоды, состояния солнечной активности, времени суток и года, температуры и влажности воздуха, а также других факторов обеспечивается прием программ заранее выбранного телевизионного передатчика.

Официальная зона уверенного приема определяется расстоянием прямой видимости передающей антенны до точки установки приемной антенны. При этом исходят из того, что ультракороткие волны (УКВ), на которых ведутся телевизионные передачи, распространяются прямолинейно, подобно свету, не огибают земную поверхность и не отражаются ионосферой в противоположность волнам коротковолнового диапазона. В связи с тем, что поверхность Земли шарообразна с радиусом сферы около 6370 км, можно вывести следующую формулу для определения максимальной дальности, соответствующей прямой видимости:

D = 3, 57 (H^0. 5+ h^0. 5),

где D - максимальная дальность прямой видимости, км; Н - высота передающей антенны, м; h - высота приемной антенны, м.

Формула не учитывает фактического рельефа местности и предполагает, что антенны установлены на идеально ровной сферической поверхности Земли. Кроме того, при распространении радиоволн УКВ диапазона все-таки имеют место и дифракция, и рефракция радиоволн. Дифракцией радиоволн называют явления, возникающие при встрече радиоволн с препятствиями, когда они огибают препятствие и проникают в область тени, отклоняясь от прямолинейного пути. Когда передающая и приемная антенны разделены выпуклостью земного шара, дифракция радиоволн является одной из причин приема сигналов за пределами прямой видимости. Эффект дифракционного проникновения радиоволны в область тени зависит от соотношения между размером препятствия и длиной волны и выражен тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому в диапазоне УКВ, где длина волны сравнительно мала, эффект дифракции не так велик, как в диапазоне длинных или средних волн, но все-таки имеет место.

Распространению радиоволн за пределы прямой видимости также способствует явление, называемое нормальной тропосферной рефракцией (преломлением). Показатель преломления зависит от давления и температуры воздуха, которые убывают с высотой. Это приводит к увеличению максимальной дальности возможного уверенного приема телевизионных передач по сравнению с максимальной дальностью, ограниченной условиями прямой видимости.

Помимо явлений дифракции и нормальной рефракции дальнему распространению радиоволн способствует их рассеяние различными наземными металлическими предметами в виде железобетонных масс зданий, мостов, мачт, а также неоднородностями в верхних слоях атмосферы. В результате рассеяния возникают вторичные излучения сигнала, которые, конечно, значительно слабее по мощности основного. Однако при наличии

высокоэффективной антенны и достаточно чувствительного телевизионного приемника можно считать реальным достижение уверенного приема телевизионных передач благодаря упомянутым выше явлениям на значительно больших расстояниях, чем дает формула дальности прямой видимости. Практика подтверждает такой вывод. Действительно, подставив в формулу высоты передающей 525 м (высота Останкинской телебашни) и приемной 30 м антенн, получим дальность, равную 101 км, хотя известно, что в действительности передачи телецентра в Останкине хорошо видны па значительно больших расстояниях.

Область, в пределах которой оказывается возможным уверенный прием телевидения, можно поэтому разбить на две зоны: прямой видимости и полутени. В зоне прямой видимости напряженность электромагнитного поля сигнала достаточно велика, и прием возможен с помощью обычных антенн. Расширить зону прямой видимости данного телевизионного передатчика в целях использования сравнительно простой антенны можно лишь увеличением высоты ее установки. Однако в связи с тем, что высот приемной антенны обычно значительно меньше высоты передающей, расширение зоны прямой видимости таким способом оказывается незначительным. Так, в приведенном выше примере увеличение высоты приемной антенны с 30 до 60 м дает расширение зоны прямой видимости с 101 лишь до 109 км. В зоне полутени напряженность поля сигнала значительно ниже, чем в зоне прямой видимости, так как в зону полутени проникает лишь небольшая часть энергии сигнала, излученного передающей антенной. Это вынуждает использование в зоне полутени для уверенного приема высокоэффективных антенн, которые отличаются от сравнительно простых большими размерами и значительно более сложной конструкцией.

Как уже было отмечено, с уменьшением длины волны явления дифракции ослабевают. При этом увеличивается затухание сигнала в атмосфере за счет поглощения энергии различными посторонними частицами (пыль, снег, дождь, туман) и молекулами воздуха. Поэтому протяженность зоны полутени зависит от длины волны, т. е. от номера частотного канала. При достаточно большой мощности телевизионного передатчика, когда ведется прием передач программного телецентра, зона полутени ограничена расстоянием 200. 220 км от передатчика, работающего на 1-2-м каналах, 160. 180 км от передатчика, работающего на 3-5-м каналах, 120. 150 км от передатчика, работающего на 6-12-м каналах. Зоны полутени для диапазона дециметровых волн практически не существует. Кроме того, наблюдается повышенное затухание сигнала в атмосфере для этого диапазона. Вот почему можно считать, что зона уверенного приема дециметрового телевизионного передатчика ограничивается расстоянием прямой видимости, уменьшенным примерно в 1, 2 раза.

Следует заметить, что указанные границы зоны полутени и границы зоны прямой видимости не являются резкими, а в значительной степени размыты. Кроме того, они очень приближенны, так как совершенно не учитывают фактического рельефа местности. При наличии на трассе высоких холмов и горных преград максимальные расстояния уверенного приема могут оказаться значительно меньшими, а уверенный прием даже при небольших расстояниях от передатчика может оказаться совершенно невозможным. За границей зоны полутени напряженность поля практически

равна нулю, и устойчивый прием нeocyщесвим даже при наличии высокоэффективных антенн.

Радиоволны, излученные передающей антенной, могут достигать точки приема двумя путями: либо распространяясь над’ земной поверхностью в при­земном слое атмосферы, либо последовательно отражаясь от земли и ионо­сферы— слоя свободных электронов, окружающих землю на высотах от 80 км (нижняя граница ионосферы) до 400 км (верхняя граница ионосферы). В пер­вом случае радиоволны называются поверхностными, во втором — простран­ственными. Электронная плотность различных слоев ионосферы зависит от вре­мени суток и года, географической широты, фазы 11-летнего периода солнечной активности и т. д. В среднем электронная плотность ионосферы такова, что отражаться от нее могут только волны, частота которых меньше 30 МГц. По­этому с помощью пространственных волн могут распространяться лишь кило­метровые, гектаметровые и декаметровые волны. Радиоволны микроволновых диапазонов, в том числе метровые и дециметровые, на которых ведутся теле­визионные передачи, распространяются только в виде поверхностных волн.

Радиоволны аналогично световым лучам распространяются в однородной среде по строго прямолинейным траекториям. Поэтому из-за сферичности Зем­ли поверхностная волна может достичь приемной антенны лишь в том случае* если между ней и передающей антенной есть геометрическая видимость. Отсю­да следует, что прием телевизионных передач возможен только в пределах геоMeTpH4eqKoft видимости между приемной и передающей антеннами. В действи­тельности дальность приема телевизионных передач несколько превышает даль­ность геометрической видимости, это связано с явлениями дифракции и ре­фракции волн.

Дифракция радиоволн— это физическое явление, состоящее в том, что ра­диоволны способны в определенной мере огибать препятствия, заходя в область тени за ними. Сферическая поверхность Земли также является препятствием, которое радиоволны могут огибать. Чем ниже частота радиосигнала, тем силь­нее проявляется дифракция. Километровые и гектаметровые волны могут за­ходить за Геометрический горизонт на сотни километров, декаметровые волны огибают кривизну Земли в меньшей степени, а на метровых и дециметровых волнах дифракция проявляется слабо, поэтому дальность приема телевизион­ных передач вследствие дифракции радиоволн возрастает незначительно.

Более существенный фактор, влияющий на дальность приема телевизионных передач, — атмосферная рефракция радиоволн. Земная атмосфера является средой неоднородной — плотность атмосферы, ее давление, влажность и темпе­ратура изменяются с высотой. Кроме того, характер изменения указанных фи­зических параметров атмосферы с высотой может меняться в зависимости от интенсивности солнечной радиации, времени суток и т. д. В неоднородной сре* де радиоволны преломляются и распространяются не прямолинейно, а по не­которым криволинейным траекториям, что приводит к заходу радиоволн за геометрический горизонт. Это явление называется рефракцией.

Рефракция свойственна электромагнитным волнам всех диапазонов, в tow числе и световым волнам. Некоторые проявления оптической рефракции (пре­ломление световых лучей в атмосфере) можно наблюдать в повседневной жизни — сплюснутая форма дисков Солнца и Луны у горизонта, мерцание звезд, дрожание далеких предметов в жаркий день, цветная кайма у диска вос­ходящего или заходящего Солнца. Благодаря рефракции световых лучей сол­нечный диск еще полностью виден, тогда как при отсутствии рефракции он был бы целиком скрыт за горизонтом, что увеличивает продолжительность светового дня (в средних широтах на 8… 20 мин). Описаны случаи аномально большой атмосферной рефракции, когда на горизонте на короткое время появ­ляются далекие горы, острова и т. д.

Существует понятие о так называемом среднем или нормальном состоянии атмосферы. Нормальное состояние атмосферы характеризуется определенным сочетанием ее физических параметров: температура воздуха на уровне моря + 15° С, понижение температуры с высотой 0,65° С на каждые 100 м, пониже­ние давления — по барометрической формуле, влажность не зависит от высо­ты. Атмосферная рефракция, соответствующая нормальному состоянию атмо* сферы, называется нормальной атмосферной рефракцией. Она приводит к уве­личению дальности приема телевизионных передач в среднем на 15…20%. Дальность прямой видимости R0 в километрах при нормальной атмосферной рефракции может быть подсчитана по формуле

где hi и h2 — высоты передающей и приемной антенн, м.

Например, при высоте установки передающей антенны hi = 400 м, приемной антенны h2 = 20 м и дальность прямой видимости составляет 100 км.

С учетом явлений дифракции и нормальной атмосферной рефракции терри­торию вокруг передающей антенны телевизионного центра или ретранслятора: можно с точки зрения возможностей приема телевизионных передач разделить на три зоны — зону прямой видимости (до 0,8Ro), зону полутени (от 0,8Ro до 1,2R0), зону тени (более 1,2R0).

Зона прямой видимости (освещенная зона) характеризуется устойчивым уровнем сигнала, достаточным для высококачественного приема цветного изо­бражения. Вместе с тем в пределах этой зоны могут быть отдельные терри­тории с недостаточным уровнем сигнала, что следует учитывать при выборе типа антенны и места ее установки. Например, спад уровня сигнала и значи^ тельное ухудшение качества приема возможно, как показали исследования, проведенные в Москве в период подготовки к Олимпийским играм 1980 г., в от­дельных точках в непосредственной близости к передающей антенне телевизи­онного центра. Это объясняется тем, что главный лепесток диаграммы направ­ленности передающей антенны в вертикальной плоскости является весьма узким (от 2… 3° на дециметровых до 10… 12° на метровых^ волнах) и в радиусе до 2 … 3 км от башни прием телевизионных сигналов ведется благодаря боко­вым лепесткам диаграммы Уменьшение уровня сигнала на 15…20 дБ наблю­дается также’в отдельных точках на расстояниях до 12 … 15 км от телецентра, что связано с интерференцией (сложением или вычитанием) прямого сигнала

от передающей антенны и сигнала, отраженного от Земли. Ухудшение качества приема в освещенной зоне возможно также в районах с пересеченным релье­фом местности, а также в городах с разноэтажной застройкой, где за высоки­ми зданиями образуются зоны тени.

Во всех перечисленных выше случаях качество приема можно, как правило, улучшить применением остронаправленных антенн и выбором места их уста­новки, а в особенно сложных случаях (например, на сильно пересеченной местности) — установкой маломощного телевизионного ретранслятора.

Зона полутени характеризуется относительно слабым и нестабильным сиг­налом, возможны замирания сигнала. Нестабильность сигнала в зоне полутени вызвана следующими причинами. При изменении состояния атмосферы меняет­ся степень рефракции, что эквивалентно приближению или удалению видимого горизонта. В этих условиях приемная антенна в некоторые моменты может ‘Оказываться в зоне тени, а затем выходить из нее в освещенную зону. Соответ­ственно происходит уменьшение или увеличение напряженности поля в точке установки приемной антенны. Для повышения качества приема в зоне полутени нужно поднимать антенну как можно выше, так как при этом уменьшается вероятность того, что при изменении состояния атмосферы антенна выйдет из освещенной зоны.

Зона тени характеризуется очень быстрым уменьшением напряженности поля с расстоянием. Качественный прием телевизионных передач в этой зоне практически невозможен, за исключением отдельных коротких отрезков време­ни, когда при значительных изменениях параметров атмосферы имеет место по­вышенная атмосферная рефракция. Вопросы приема в зоне тени, в том числе «сверхдальнего приема, рассмотрены далее.

Источник: Капчинский JI. М., Конструирование и изготовление телевизионных антенн.— 2-е изд., стереотип.— М.: Радио и связь, 1995.— 00 с.: ил.— (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1216).

Читайте также: