Распространение радиоволн над реальной поверхностью Земли. Явление дифракции

Выше для упрощения анализа рассматривался процесс распространения волны над плоской поверхностью земли. Реальная поверхность земли естественно, не плоская, а сферическая и имеет местные (локальные) неоднородности рельефа. Поэтому процесс распространения радиоволн значительно сложнее, что, например, иллюстрируется схемой трассы, приведенной на рис. 4.8, где между приемной и передающей антенной имеется сложный рельеф.

В результате многократных, например четырех, отражений в некотором месте может значительно увеличиться напряженность поля, например (см. рис. 4.8) до , и могут появиться многочисленные минимумы, поле в которых, однако, не уменьшается до нуля. Положение минимумов и максимумов зависит от длины волны. Авторы неоднократно убеждались, что у подножья гор изменение рабочей частоты на 100 кГц в диапазоне длин волн 2 м было достаточным, чтобы получить увеличение напряженности поля на 10 дБ, либо привести к почти полному его исчезновению.

Рис. 4.8. Многократное отражение на трассе со сложным профилем

Поверхность местности, даже равнинной, покрыта застройками или лесом, которые также вносят значительное затухание по сравнению со свободным пространством. В диапазоне 2 м лиственный лес вносит затухание порядка 6 дБ/100 м, а в диапазоне 70 м даже порядка 10 дБ/100 м.

Водное пространство (морское) с волнами на поверхности в диапазоне КВ по своим свойствам не сильно отличается от спокойного моря. В диапазоне УКВ, в особенности когда высота волны сравнима с длиной волны, появляются сильные помехи, влияющие на условия распространения. Для сухопутных трасс влияние препятствий с заданной высотой в очень сильной мере зависит от длины волны λ. Процесс отражения волны, падающей под углом ψ на препятствие, схематически представлен на рис. 4.9. Отраженная волна содержит две составляющие, фазовый сдвиг между которыми равен ∆φ. Этот сдвиг тем больше, чем больше размер шероховатости. Отметим, что граница перехода от зеркальной поверхности к шероховатой не является резко выраженной. Можно принять (аналогичное допущение делается и в оптике), что поверхность является гладкой, когда выполняется условие ∆φ ≤ π/4. Это условие носит название критерия Рэлея. Из этого критерия следует, что допустимая высота препятствия, при котором поверхность можно считать гладкой, определяется исходя из неравенства $$\begin{equation}\Delta{h}<\frac{\lambda}{16\sin\psi_0}\end{equation}\tag{4.8}$$

Для расчета ∆h можно пользоваться графиками, приведенными на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Допустимый уровень неравномерности отражающей поверхности при различных углах падения в различных частотных диапазонах

За препятствием существуют, как и в оптике, области тени и полутени. Наличие поля в этих областях обусловлено явлением дифракции. Это явление можно объяснить, используя принцип Гюйгенса. Согласно этому принципу каждая точка фронта волны над препятствием, включая и сам край, является источником новой, вторичной сферической волны, которая распространяется за препятствием. Напряженность поля дифракционной волны сильно уменьшается при отклонении от направления распространения первичной волны.

Затухание, обусловленное наличием узкого препятствия, можно определить, пользуясь графиками, представленными на рис. 4.10а. В случае узкого клина, выступающего над поверхностью земли, затухание можно определить, используя номограмму, приведенную на рис. 4.10б. Указанная проблема достаточно широко рассматривается в литературе [1, 31].

Рис. 4.10. Дополнительное затухание при дифракции радиоволн

Явление дифракции радиоволн приобретает особое значение при рассмотрении условий распространения в горах, когда этот феномен является зачастую единственным способом установления радиосвязи. Исследования в этой области подтвердили возможность установления радиосвязи с использованием явления дифракции радиоволны на вершине горы, препятствующей прямому распространению радиоволны на трассе. Затухание в данном случае зависит от угла дифракции θ, частоты, высоты препятствия (горы), и его профиля. Острая вершина вносит меньшее затухание, чем пологая. Этот эффект иллюстрируется графиками на рис. 4.11.

Рис. 4.11 Примеры профилей трасс

Для трассы протяженностью 140 км, на которой расположено препятствие высотой 940 м, радиоволна после дифракции на вершине препятствия достигает точки наблюдения О. Дополнительное затухание на этой трассе можно рассчитать, пользуясь формулами, представленными в [24]. Дополнительное затухание зависит от профиля препятствия и от угла дифракции. Для острой вершины (профиль I на рис. 4.11в), когда имеются два краевых излома, отстоящий на расстояние 7,5 м, дополнительное затухание А для частоты 144 МГц равно —24 дБ.

Для более широкой вершины, когда волна подвергается многократной дифракции (профиль II на рис. 4.11в), дополнительное затухание представляет собой сумму затуханий на всех отрезках и на частоте 144 МГц А = —40 дБ. Отметим, что для этого препятствия на частоте 432 МГц дополнительное затухание составляет —48 дБ.

Результирующее затухание на трассе является суммой затухания при распространении в свободном пространстве и затухания из-за дифракции. Результирующее затухание для волны длиной 2 м равно —118 дБ, а для волны длиной 70 см А = —128 дБ.

Дополнительное затухание можно определить, пользуясь номограммами рис. 4.10б. Еще раз подчеркнем, что для расчета результирующего затухания для трассы необходимо учитывать затухание на всех участках трассы.

При практическом расчете затухания пользуются различными вариантами построения профиля трассы, отличающимися друг от друга масштабами высот и дальности (см., например, рис. 4.11ав). При построении профиля трассы большой протяженности необходимо учесть кривизну поверхности земли. При проектировании трасс с закрытием более выгодным оказываются острые препятствия, чем гладкие. Чтобы увеличить уровень сигнала на таких трассах, часто на вершине естественного препятствия устанавливают пассивный ретранслятор в виде металлической сетки. Длина ретранслятора составляет обычно несколько десятков метров, а высота определяется профилем трассы и высотами расположения передающей и приемной антенн. Более подробную информацию о пассивных ретрансляторах типа препятствия можно найти в литературе [24, 25].

Ранее при рассмотрении условий распространения радиоволн мы практически не учитывали кривизну поверхности земли. Поэтому некоторые приведенные результаты следует применять с известной степенью осторожности. Так, в частности, формула Введенского (4.7) справедлива только при небольших расстояниях между антеннами (r < 0,7r0). Расстояние r0 представляет собой границу прямой видимости между двумя антеннами, расположенными на высотах hN и h0 (рис. 4.12а). Формула для расчета выглядит следующим образом: $$\begin{equation}r_0=3,57\left(\sqrt{h_N}+\sqrt{h_0}\right)\end{equation}\tag{4.9}$$ где hN и h0 заданы в метрах, а r0 — в километрах. На рис. 4.12б приведен график, позволяющий определить r0 по заданной величине h (или наоборот, определить необходимые высоты подвеса антенн h при заданном rp).

Рис. 4.12. Граница прямой радиовидимости между двумя станциями

Отметим, что в зоне, радиусом 0,7r0, результирующее поле имеет интерференционный характер, обусловленный сложением прямой и отраженной волн. На расстояниях, превышающих указанную границу, поле имеет дифракционный характер и определяется многими факторами, в том числе проводимостью земли, частотой электромагнитного колебания и пр.

Как правило, для морских трасс уменьшение напряженности поля с ростом длины трассы проявляется слабее, чем для сухопутных трасс.

Дополнительное затухание АK, обусловленное кривизной поверхности земли, больше для волн более высокой частоты. На рис. 4.13 приведены графики зависимости АK от длины трассы, которые соответствуют двум типам и нескольким частотным диапазонам.

На этом же рисунке приведены графики расчетных значений напряженности поля в зависимости от протяженности трассы при работе на ней передающей антенны с действующей мощностью излучения РД = 1 кВт.

Рис. 4.13. Зависимость напряженности поля дополнительного затутхания от расстояния в различных частотных диапазонах для коротких вертикальных антенн, размещенных над поверхностью земли