Среды распространения сигнала

Для систем авиационной электросвязи средами распространения сигнала в проводных линиях являются (воздушная линия, кабель, волновод, оптоволокно), а в радиолиниях – атмосфера и космическое пространство.

В воздушных линиях средой распространения сигнала являются один или два проводника, подвешенные на столбах. Диапазон рабочих частот сигналов воздушных линий равен 0…10⁵ Гц.

В кабельных линиях средой распространения сигнала являются радиокабели. Радиокабели подразделяются на симметричные и коаксиальные.

Симметричный радиокабель представляет собой два параллельно расположенных изолированных проводника, помещенных в диэлектрическую среду. Диапазон рабочих частот сигналов симметричных кабельных линий равен 0…10⁶ Гц.

Коаксиальный радиокабель представляет собой два концентрически расположенных изолированных проводника, помещенных в диэлектрическую среду. Диапазон рабочих частот сигналов коаксиальных кабельных линий равен 0…10⁸ Гц.

В волноводных линиях средой распространения сигнала является пространство, ограниченное стенками волновода. По волноводу распространяется электромагнитная волна. Диапазон рабочих частот электромагнитных волн в волноводных линиях равен (3…10)10¹⁰ Гц.

В оптоволоконных линиях средой распространения сигнала является опти́ческое волокно́, представляющее собой нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса световых волн внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Диапазон рабочих частот световых волн в оптоволоконных линиях равен 10^{14 .}10¹⁵ Гц.

В радиолиниях передача информации осуществляется посредством радиоволн. Диапазон радиоволн, используемый для большинства радиолиний, простирается от очень низких частот (ОНЧ – мириаметровые волны) до крайне высоких частот (КВЧ – миллиметровые волны).

Длина радиоволны λ и частота f связаны следующим соотношением: λ_[м]·f_[Гц]= 3×10⁸ м/с.

Тогда λ_[м] = 300/ f_[МГц] или f_[МГц] = 300/ λ_[м].

Для подавляющего большинства радиолиний средами распространения сигнала являются атмосфера и космическое пространство.

Условно принято считать, что космическое пространство начинается за пределами двух-трех земных радиусов R_з = 6370 км, где плотность электронов составляет 2…20 эл/см³, а ниже располагается атмосфера.

Атмосфера подразделяется на три основные области: тропосфера, стратосфера и ионосфера.

Тропосфера (нижняя атмосфера) располагается от поверхности Земли и до высот 15…18 км и характеризуется наличием тропосферных неоднородностей: паров воды, облаков. Тропосферные неоднородности способны отражать падающие на них радиоволны.

Стратосфера простирается примерно до 60…80 км.

Ионосфера начинается с высот 60…80 км и простирается до высоты 1500 км и имеет слоистый характер неоднородностей, определяемый размещением газов в атмосфере: в нижней части ионосферы располагаются тяжелые газы, а выше – более легкие газы.

Падающее на ионосферу излучение Солнца вызывает ионизацию газа. Поскольку плот­ность газа на больших высотах мала, то вероятность рекомбинации невелика. По этой причине значи­тельная часть газа остается ионизированной, т. е. представляет собой плазму. Ионизированный газ обладает электропроводно­стью. Концентрация свободных электронов определяется интен­сивностью ионизирующего излучения Солнца и зависит от высоты, времени суток и сезона года. На очень больших высотах плотность газа мала, соответственно уменьшается и количество ионов, а в итоге и их влияние на прохождение радиоволн. По этой причине существенное влияние на распространение радиоволн оказы­вает только часть ионосферы до высот около 500 км. Плотность свободных электронов в ионосфере составляет 10³…10⁶ эл/см³.

Полная картина физических процессов при прохождении волн через ионосферу очень сложна. Одна из главных причин этой сложности состоит в том, что ионосфера не представ­ляет собой один слой, а состоит из ряда слоев, обладающих не­одинаковыми свойствами (рис. 1.11).

250-500 км F2

200-230 км F1

100-130 км E

60-80 км D

Земля

Рис. 1.11. Структура ионосферы

На относительно небольших высотах 60...80 км располага­ется слой, обозначаемый D, в котором концентрация свободных электронов невелика. Выше на высотах 100…130 км располагается слой Е, далее на высотах 200…230 км располагается слой F1 и на высо­тах 250…500 км – слой F2, для которого характерна наибольшая концентрация электронов. Состояние этих слоев сильно зависят от времени года и суток, а также от текущего состояния солнечной активности, которая изменяется с периодом 11 лет. Например, слои D и F1 существуют только в дневное время, а электронная концентрация слоев Е и F2 в ночное время уменьшается.

Волны разной длины могут отражаться в разных слоях, либо вовсе не отражаться. Отсутствие отражений наблюдается при из­лучении волн под большим углом по отношению к поверхности Земли и при относительно высоких частотах. В этом случае радиоволны «пронзают» ионосферу и уходят в мировое пространство (Рис. 1.11).

Несмотря на изменчивость свойств ионосферы, относительная регулярность этих изме­нений делает возможным использовать ее на постоянно действующих радиолиниях.

В атмосфере наблюдаются и иные менее регулярные неоднородности (например, следы метеоров, искусственные неоднородности), которые также учи­тываются в построении ряда радиолиний.

На основе проведенного анализа свойств тропосферы и ионосферы можно сделать вывод, что радиоволны могут распространяться:

- вдоль земной поверхности (земные или поверхностные волны);

- с отражением от неоднородностей, находящихся в среде РРВ (пространственные волны);

- в свободном пространстве (когда электрические параметры Земли не влияют на свойства РРВ) – на дальность прямой видимости.

Для некоторых радиолиний можно определить радиоволны, которые, кроме того, могут распространяться в каких-либо геологических слоях Земли, строительных материалах и в воде.

Особенности РРВ зависят от частоты радиоволны:

- с ростом частоты (с уменьшением длины волны) поглощение энергии радиоволны в земле возрастает, а в ионосфере – уменьшается;

- с уменьшением частоты (с увеличением длины волны) возрастает дифракционная и рефракционная способность распространения радиоволн, т.е. способность огибать земную поверхность и преломляться в неоднородной среде;

- с уменьшением частоты радиоволны и с увеличением угла падения волны на ионосферу возрастает отражающая способность ионосферных слоев.