Распространение УКВ на расстояния, много меньшие предела прямой видимости

Ультракороткие волны широко применяются на радиолиниях небольшой протяженности — в пределах прямой видимости. За этим пределом напряженность поля УКВ обычно резко уменьшается, так как дифракция в этом диапазоне сказывается значительно слабее, чем на более длинных волнах. Для увеличения дальности действия передач на УКВ антенны поднимают возможно выше над землей. Зная высоту, на которую подняты передающие и приемные антенны, можно на основании простых геометрических соображений легко определить расстояние прямой видимости (рис. 28).

Расстояние прямой видимости (в километрах) может быть вычислено по формуле

$$
\begin{equation}
r_0=\sqrt{2R}\thinspace(\sqrt{h_1}+\sqrt{h_2}) = 3,57\thinspace(\sqrt{h_1}+\sqrt{h_2})
\tag{13}
\end{equation}\label{eq.13}
$$

где R — радиус земного шара (6370 км); h₁, h₂ — высоты передающей и приемной антенн, м.

Например, если ранее при приеме передач Московского телецентра, антенна которого была поднята на высоту примерно 150 м, применялась приемная антенна, расположенная на высоте 5 м, то предел прямой видимости составлял около 60 км. После того как была сооружена Останкинская башня и передающая антенна стала возвышаться почти на 500-метровой высоте, расстояние прямой видимости при той же высоте расположения приемной антенны превышает 90 км.

Первые исследования в области УКВ были направлены на выяснение условий их распространения в пределах прямой видимости на небольшие расстояния, когда на пути распространения волн нет гор, больших зданий и других существенных препятствий.

Впервые ответ на вопрос, как рассчитать напряженность поля УКВ и от чего она зависит, дал в 1922 г. Б. А. Введенский. Первые опыты проводились им на волне длиной 3,8 м на расстоянии в десятки метров. Б. А. Введенский показал, что на небольших расстояниях в любой точке поле складывается из двух волн: прямой и отраженной от земной поверхности. Даже если применяются остронаправленные антенны, имеет место волна, отраженная от Земли (рис. 29). При небольших расстояниях можно не учитывать кривизны земной поверхности и считать Землю плоской.

В зависимости от того, насколько различаются длины путей прямого и отраженного лучей, результирующее поле может оказаться больше или меньше поля каждой из составляющих. При небольших высотах антенны по сравнению с длиной трассы (этот случай обычно имеет место на практике) фаза волны при отражении от земной поверхности меняется на 180°. Таким образом, если разность длин путей прямого и отраженного лучей мала (меньше полуволны) или составляет целое число волн, поля вычитаются. Если же разность путей составляет целое число полуволн, то поля складываются.

Поле имеет в этом случае интерференционный характер. Напряженность поля изменяется с увеличением расстояния или высоты над земной поверхностью, периодически то увеличиваясь, то уменьшаясь. В результате диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости носит лепестковый характер (рис. 30). Если приемную антенну поднимать выше линии, совпадающей с направлением максимального излучения первого лепестка передающей антенны, то напряженность поля начнет уменьшаться с поднятием приемной антенны над земной поверхностью. Поднимать антенну выше чем h_{2 max} нецелесообразно:

$$
\begin{equation}
h_{2\thinspace max}=\frac{\lambda r}{4h_1}
\tag{14}
\end{equation}\label{eq.14}
$$

Для расчета напряженности поля УКВ в том случае, когда приемная антенна расположена не на слишком большой высоте, так что она находится в области, соответствующей нижней части первого лепестка, имеется формула, называемая отражательной:

$$
\begin{equation}
E=\frac{2,18\thinspace \sqrt{PG}\thinspace h_1 h_2}{r^2\lambda}
\tag{15}
\end{equation}\label{eq.15}
$$

где Е — действующее значение напряженности поля в месте приема, мВ/м; Р — мощность, излучаемая антенной, кВт; G — коэффициент усиления антенны; h₁, h₂ — высоты расположения передающей и приемной антенн, м; r — расстояние вдоль земной поверхности, км; λ — длина рабочей волны, м.

Формула (15) является основной для расчетов ультракоротковолновых радиолиний и определения пунктов размещения вещательных и телевизионных станций для расстояний, не превышающих предела прямой видимости. Она дает наглядную зависимость напряженности поля от длины волны, высот антенн и расстояния. Из этой формулы видно, что для увеличения напряженности поля следует выше поднимать передающую и приемную антенны. Напряженность поля с увеличением расстояния убывает по квадратичному закону.

Необходимо отметить, что формула (15) справедлива только для случая, когда антенны подняты достаточно высоко. Легко видеть, что если одна из антенн расположена на земной поверхности, т. е. h₁ или h₂ равно нулю, то и напряженность поля равна нулю, что не соответствует действительности. Для этого случая формула (15) неприменима.

Эта формула неприменима также для очень больших высот поднятия антенн.

Применимость ее в этом случае ограничена условием

$$
\begin{equation}
h_2<\frac{r\lambda}{18h_1}
\tag{16}
\end{equation}\label{eq.16}
$$

Экспериментальная проверка справедливости формулы (15) производилась неоднократно измерением напряженности поля вдоль пути распространения волн. На рис. 31 приведен пример измерений напряженности поля в сопоставлении с расчетной кривой. Измерения проводились над ровной местностью на волне длиной 7,25 м. Высоты передающей и приемной антенн были соответственно 29 и 3,1 м. Результаты измерений отмечены точками. Линией нанесены результаты расчетов по формуле (15). Из рассмотрения рисунка следует, что расхождение между экспериментом и расчетом невелико. На небольших расстояниях сигнал, переданный на УКВ, получается сильным, устойчивым и не меняется в течение года и суток, что обеспечивает надежную работу радиолинии.