Распространение УКВ на расстояния, превышающие предел прямой видимости

С увеличением мощности передающих устройств и повышением чувствительности приемников стал возможным прием УКВ за пределами прямой видимости. Теоретически было показано, что появление на таких расстояниях поля небольшой напряженности может быть объяснено дифракцией УКВ. Однако наблюдавшиеся напряженности поля превосходили уровни, рассчитанные по законам дифракции. Оказалось, что такое увеличение напряженности поля происходит благодаря процессам, происходящим в тропосфере.

Дифракция играет существенную роль в том случае, когда препятствие меньше или соизмеримо с длиной волны. Кривизна земного шара представляет препятствие для распространения радиоволн, притом препятствие весьма больших размеров. Поэтому УКВ плохо дифрагируют вокруг выпуклой поверхности земли. Но все-таки за счет дифракции УКВ могут распространяться за пределы прямой видимости в область тени. Строгое решение вопроса об определении напряженности поля дифракции было получено советским ученым В. А. Фоком.

Напряженность поля в точке приема в зоне дифракции, как и в пределах прямой видимости, увеличивается с поднятием передающей и приемной антенн. При укорочении длины волны напряженность поля очень резко уменьшается.


Рис. 42. Дифракционное поле за пределами видимого горизонта.

На рис. 42 показан расчетный график зависимости напряженности поля от расстояния для длин волн от 7 м до 7 мм. Принято, что передающая и приемная антенны помещены на высоте 100 м. Тогда предел прямой видимости составляет 71 км. Напряженность поля отложена в относительных единицах в логарифмическом масштабе. В таком масштабе зависимость напряженности поля от расстояния имеет вид прямой. Наклон прямых тем круче, чем короче волна, с укорочением волны резче убывает напряженность поля за горизонтом.

Следует отметить, что в зоне дифракции, где напряженность поля меньше, чем в зоне прямой видимости, влияние тропосферной рефракции сказывается сильнее. Изменения напряженности поля под влиянием тропосферной рефракции невелики по сравнению с напряженностью поля в пределах прямой видимости и значительны по сравнению со слабым дифракционным полем.

Для того чтобы при вычислении напряженности поля за пределами прямой видимости учесть влияние рефракции, в дифракционные формулы вместо действительного радиуса земного шара подставляют значение эквивалентного радиуса, который зависит от состояния тропосферы. Это положение проверялось опытным путем. В 1954 г. в ФРГ проводились специальные наблюдения по распространению УКВ в области тени. Наблюдения велись на трассе длиной 76 км. Для опытов использовались амплитудно-модулированный передатчик мощностью 180 Вт, работавший на частоте 68 МГц, и приемник чувствительностью 10 мкВ. Передающая антенна помещалась на высоте 90 м, а приемная — на высоте 30 м.

Одновременно с измерением напряженности поля примерно в середине трассы запускали метеорологические радиозонды (приборы, поднимающиеся на небольших воздушных шарах и автоматически специальным кодом сообщающие по радио сведения о состоянии атмосферы: давлении, влажности и температуре). По сведениям, получаемым от радиозондов, подсчитывали коэффициент преломления тропосферы и эквивалентный радиус Земли. Полученную по расчету напряженность поля сравнивали с измеренным значением и таким образом проверяли применимость для расчетов дифракционной формулы.

Такие измерения проводились в течение 4 лет. При этом первые 2 года наблюдений не дали определенных результатов: получались то хорошие совпадения, то очень плохие. Причина этого заключалась в том, что трасса первоначально была выбрана так, что она проходила в 90 км от метеорологической станции, с которой запускались радиозонды. В следующие 2 года изменили трассу и проложили ее так, что метеорологическая станция находилась в средней части пути. Тогда стали получаться хорошие совпадения расчетов с измерениями.

Характер изменения напряженности поля в зависимости от расстояния и от времени года и суток исследовался вблизи Харькова. Измерялась напряженность поля на частоте 83,75 МГц звукового сопровождения Харьковского телецентра на нескольких направлениях на расстояниях 90—120 км от него. Анализ результатов этих измерений показал, что в месте приема присутствует и более устойчивая составляющая напряженности поля, обусловленная дифракцией и нормальной рефракцией, и составляющая поля, быстро меняющаяся во времени, — рассеянный сигнал. Уровень напряженности поля в этих опытах менялся мало в течение года.

Все опыты показали, что за пределами видимого горизонта в зоне дифракции напряженность поля сильно зависит от состояния тропосферы.


Рис. 43. Явление "усиления" препятствием.

Интересные явления наблюдаются при распространении радиоволн в горных районах. Исследования советских ученых А. И. Калинина, В. Н. Троицкого, Ч. И. Цыдыпова и др. показали, что напряженность поля за горой в некоторых случаях не убывает, а возрастает с увеличением расстояния. Вершина горы действует подобно приемно-передающей антенне. Поле в точке приема является суммой четырех волн, распространяющихся по путям АБВ, АГБВ, АБДВ и АГБДВ (рис. 43), амплитуды и фазы которых зависят от геометрии трассы и коэффициента отражения от поверхности земли.


Рис. 44. Увеличение напряженности поля за горой при искусственном "обострении" вершины.

Увеличение напряженности поля отчетливо наблюдалось при проведении опытов по сооружению ретрансляционных телевизионных станций в Бурятской АССР. Сооружение ретрансляционных телевизионных станций на горных вершинах представляет большие сложности как при их постройке, так и при обслуживании. Поэтому исследовалась возможность установления ретрансляторов в долинах. Измерялись напряженности поля Улан-Удэнского, Иркутского и Читинского телецентров, работающих на частотах 49,75 и 77,25 МГц на 45 направлениях. Приемная аппаратура была смонтирована на автомобиле. Исследовались радиотрассы протяженностью до 250 км, проходящие над равниной, над одной горной вершиной или несколькими вершинами, причем высота гор превосходила 1000 м над уровнем долин. Оказалось, что на трассах, проходящих над одной вершиной на некотором расстоянии за горой, поле на 20 и даже 60 дБ превышало поле на том же расстоянии над равниной. На трассах, проходящих над несколькими вершинами, увеличение поля не обнаруживалось или проявлялось слабо. Проведенные исследования позволили выбрать место для размещения ретрансляционных телевизионных станций в долинах, в области геометрической тени за горой, где они надежно работают. Дальнейшие исследования велись в направлении искусственного «обострения» горных вершин. Для этого на вершине горы устанавливалась металлическая сетка, действующая как пассивный ретранслятор. Пример результатов измерений на частоте 1500 МГц приведен на рис. 44, где изображен профиль радиотрассы, а на графике отложено отношение напряженности поля при установке, «обостряющей» вершину сетки Eсет, к напряженности поля без сетки Е, выраженное в децибелах, в зависимости от ширины сетки. Высота сетки составляла 1,5 м.

Измерения показали, что установка такого несложного сооружения позволяет увеличить напряженность за горой еще на 10—15 дБ.

Такие ретрансляторы применяются на протяженных УКВ радиолиниях и над равнинной местностью, поскольку сооружение оказывается дешевле, чем увеличение высоты мачты для подъема антенны.