6. Propagacja wybranych zakresów fal radiowych
Fale elektromagnetyczne, należące do
poszczególnych zakresów, rozchodzą się w przestrzeni w
różny sposób. Jest to spowodowane zróżnicowanym
wpływem otoczenia, zależnym od częstotliwości fali. W poniższym
omówieniu przyjęto tradycyjny podział fal na zakresy (tabela
2), ponieważ wynika on z właściwości fal radiowych.
Propagacja fal długich i bardzo długich
Fale długie (20 - 3 km, 15 - 100 kHz) i
bardzo długie (ponad 20 km, poniżej 15 kHz) ulegają nieznacznemu
tłumieniu oraz silnej dyfrakcji na powierzchni Ziemi. Dzięki temu
fala powierzchniowa może się rozchodzić na bardzo duże odległości. W
odległości 1000 - 2000 km od nadajnika natężenie pola fali
jonosferycznej przewyższa natężenie pola fali powierzchniowej i
dlatego w komunikacji na duże odległości wykorzystuje się falę
jonosferyczną. Przyjmuje się, że fale długie rozchodzą się w
falowodzie kulistym ograniczonym powierzchnią Ziemi i dolną granicą
jonosfery (obszar D w dzień i E w nocy), ulegając kolejnym odbiciom
od tych granic.
Warunki propagacji fal długich ulegają
małym i powolnym zmianom w czasie. Tłumienie fal długich w jonosferze
podlega wahaniom dobowym, sezonowym i rocznym, zmienia się także
wskutek zmian aktywności Słońca.
Natężenie pola fal długich wyraża się półempirycznym
wzorem Austina:
(1)
gdzie P oznacza moc nadajnika [kW],
R - odległość od nadajnika [km], X - długość fali [km],
zaś a- kąt między odcinkami łączącymi środek Ziemi z punktami,
w których znajduje się nadajnik i odbiornik.
można wyznaczyć z równania dopasowanej anteny odbiorczej:
(2)
gdzie E oznacza natężenie pola
elektrycznego fali [V/m], Gq - zysk energetyczny anteny
odbiorczej [W/W], λ - długość fali [m], a PO
- moc sygnału na wejściu odbiornika [W].
Propagacja fal średnich
W zakresie fal średnich (3000 - 200 m, 100
- 1500 kHz) znaczenie ma zarówno fala powierzchniowa, jak i
jonosferyczna. W ciągu dnia fale są silnie tłumione w dolnych
warstwach jonosfery, a więc o zasięgu decyduje tylko natężenie pola
fali powierzchniowej. Zasięg ten maleje wraz ze wzrostem długości
fali i spadkiem konduktywności gruntu. W ciągu nocy natomiast
tłumienie w jonosferze maleje, a więc o zasięgu decyduje fala
jonosferyczna.
Podczas odbioru fal średnich w nocy można wyróżnić
trzy strefy:
- obszar bliskiego zasięgu (pierwszą
strefę odbioru), w którym natężenie pola fali
powierzchniowej jest znacznie większe niż fali jonosferycznej i
zaniki nie występują,
- strefę interferencji, w której
występują silne wahania natężenia pola, będące skutkiem
interferencji fali powierzchniowej i jonosferycznej,
- obszar dalekiego zasięgu (trzecią
strefę odbioru), w którym natężenie pola fali
jonosferycznej jest znacznie większe niż fali powierzchniowej, a
występowanie zaników zależy od warunków propagacji w
jonosferze i interferencji al jonosferycznych, docierających do
odbiornika różnymi drogami.
Podczas odbioru fal średnich w nocy możliwe
jest także wystąpienie przesłuchów pomiędzy sygnałami z dwóch
różnych stacji, nawet jeżeli ich częstotliwości znacznie się
różnią. Zjawisko to, zwane zjawiskiem luksemburskim,
występuje, gdy fale dwóch nadajników rozchodzą się
częściowo po wspólnej drodze.
Natężenie pola fali jonosferycznej w zakresie fal
średnich wyraża się wzorem:
(3)
gdzie P oznacza moc nadajnika [kW],
R - odległość od nadajnika [km], a H - wysokość obszaru
jonosfery odbijającego fale [km].
Propagacja fal pośrednich
W przypadku fal pośrednich (200 - 100 m,
1,5 - 3 MHz) fala powierzchniowa jest dość silnie tłumiona i dlatego
może być stosowana tylko na terenach o dobrej konduktywności, np. na
morzu. W pozostałych przypadkach o zasięgu decyduje fala
jonosferyczna, która jest tłumiona w dzień, jednak znacznie
słabiej niż fale średnie.
W ciągu dnia fale pośrednie odbijane są
przez obszar E jonosfery. W ciągu nocy natomiast możliwe jest odbicie
zarówno od obszaru E, jak i Fj. Ponieważ jednak w propagacji
jonosferycznej główną rolę odgrywa obszar E, zasięg fali
odbitej ograniczony jest do kilku tysięcy kilometrów. Przewaga
na lądzie fali jonosferycznej nad powierzchniową uwidacznia się już w
odległości kilkudziesięciu kilometrów od nadajnika, na morzu
natomiast fala powierzchniowa dominuje jeszcze w odległości rzędu
1000 km.
Zasięg w przypadku fal pośrednich można
wyznaczyć na podstawie krzywych propagacji, określających natężenie
pola jako funkcję odległości od nadajnika dla różnych
częstotliwości i szerokości geograficznych, dla propagacji nad morzem
lub lądem.
Propagacja fal krótkich
W zakresie fal krótkich (100 - 10 m,
3 - 30 MHz) fala powierzchniowa jest tak silnie tłumiona, że w
odległości kilku do kilkudziesięciu kilometrów od nadajnika
odbiór jej jest niemożliwy. Tym niemniej fala jonosferyczna w
tym zakresie pozwala na osiągnięcie bardzo dużych zasięgów,
obejmujących nawet całą kulę ziemską. Różne sposoby propagacji
fal krótkich w jonosferze przedstawia rysunek 5. Fale krótkie
są odbijane głównie przez obszar F2, a niekiedy
także przez obszary E, Es i F1.
Cechą
charakterystyczną jonosfery jest istnienie dwóch
częstotliwości określających sposób propagacji fal. Maksymalna
częstotliwość użytkowa (MUF, ang.Maximal Usable Frequency)
jest to największa częstotliwość, przy której można
uzyskać łączność pomiędzy dwoma punktami, fale o częstotliwościach
większych od MUF nie są bowiem odbijane przez jonosferę. Z kolei
najmniejsza częstotliwość użytkowa (LUF, ang.Lowest Usable
Frequency) jest najniższą częstotliwością, która, z uwagi
na wzrost tłumienia wraz ze wzrostem długości fali, może być użyta do
zapewnienia transmisji na daną odległość. Tak więc zakres użytecznych
częstotliwości fal krótkich ograniczony jest od dołu przez
wartość LUF, od góry zaś przez MUF.
Dla częstotliwości większych od MUF nawet
znaczne zwiększenie mocy nadajnika nie powoduje
nawiązania łączności, podczas gdy dla częstotliwości bliskich LUF
wzrost tłumienia można zrekompensować zwiększeniem mocy nadajnika.
Nadmierne zbliżanie się do MUF nie jest jednak wskazane, gdyż w razie
nagłego, chwilowego zmniejszenia tej wartości może nastąpić zanik
całkowity.
Jako optymalną częstotliwość roboczą
(FOT, fr.Frequence Optimum de Trafic) przyjmuje się FOT=0,85*MUF.
Komunikację na falach krótkich utrudniają zmiany
warunków propagacyjnych jonosfery, wpływające z kolei na
wartości LUF i MUF. Wartości te zmieniają się w zależności od pory
roku, pory doby oraz fazy 11-letniego cyklu aktywności słonecznej.
Przeciętnie wpływ tych czynników objawia się następująco:
- wartości MUF są większe w dzień niż w nocy,
- wartości MUF w nocy są większe latem niż zimą,
- wartości MUF w dzień są większe zimą niż
latem dla obszaru F2, dla pozostałych zaś obszarów
- przeciwnie,
- wartości MUF są większe w okresach silnej aktywności
słonecznej,
- wartości LUF na trasach krótkich
wykazują maksimum w godzinach popołudniowych i spadają poza zakres
fal krótkich w nocy, natomiast na trasach długich mają
przebieg nieregularny.
Przy propagacji fal krótkich występują jeszcze inne zjawiska:
- strefy milczenia, znajdujące się
między najdalszym punktem zasięgu fali powierzchniowej a najbliższym
punktem zasięgu fali jonosferycznej,
- odbicia od warstw sporadycznych,
szczególnie Es, powodujące podwyższenie
wartości MUF, zwłaszcza w nocy,
- propagacja pozaortodromowa, polegająca
na rozchodzeniu się fal poza płaszczyzną wielkiego koła Ziemi,
spowodowana nachyleniem jonosfery lub odbiciem od terenu
nachylonego,
- zaburzenia jonosferyczne, tzw.
burze jonosferyczne, powodujące pogorszenie warunków
łączności krótkofalowej,
- zanik powszechny, polegający na nagłym wzroście
absorpcji i zaniku odbioru fal krótkich na całej półkuli
oświetlonej przez Słońce,
- zjawisko Dopplera, powodujące zmianę
częstotliwości krótkofalowej nawet o kilka kiloherców,
- echo, spowodowane docieraniem do odbiornika fal
rozchodzących się bezpośrednio (po najkrótszej trasie) i
pośrednio,
- rozpraszanie fali jonosferycznej,
umożliwiające stosowanie fal o częstotliwości większej od MUF,
- zaniki:
- zanik interferencyjny, będący
skutkiem interferencji fal docierających do odbiornika różnymi
drogami,
- zanik polaryzacyjny, będący
wynikiem interferencji w odbiorniku fal o różnej polaryzacji
powstałych wskutek rozszczepienia, pod wpływem ziemskiego pola
magnetycznego, fali padającej na jonosferę,
- zanik absorpcyjny, powodowany
wahaniami tłumienia fali w obszarze E, a występujący głównie
w południe,
- zanik graniczny, będący skutkiem
nagłego obniżenia wartości MUF podczas pracy na częstotliwości
bliskiej tej wartości,
- zanik uskokowy, występujący w
miejscach, w których granica między strefą odbioru i strefą
ciszy podlega zmianom.
Opisane zaniki rzadko występują pojedynczo;
mogą one mieć charakter synchroniczny lub selektywny. Zanik
synchroniczny oddziałuje jednakowo na wszystkie składowe fali,
podczas gdy zanik selektywny wpływa na nie w różny
sposób.
W przypadku fal krótkich konieczne jest
obliczenie nie tylko mocy nadajnika, lecz również wartości MUF
i LUF dla konkretnej trasy sygnału. Obliczenia te są dość
skomplikowane i nie będą tu przytaczane.
Propagacja fal ultrakrótkich i mikrofal
Fale ultrakrótkie i mikrofale (10 m
- 1 mm, 30 MHz - 300 GHz) przy rozchodzeniu się wykazują właściwości
zbliżone do promieni widzialnych. Prawa optyki geometrycznej nie
obowiązują jednak ściśle i dzięki temu odbiór możliwy jest nie
tylko w granicach zasięgu optycznego. W procesie propagacji fal duże
znaczenie mają następujące zjawiska:
- refrakcja troposferyczna,
- dyfrakcja fal wokół powierzchni
Ziemi oraz przeszkód terenowych (wzniesień lub budynków),
- rozpraszanie fal w troposferze,
- odbicie od śladów meteorów.
Natężenie pola fal ultrakrótkich
zależy od wielu czynników takich, jak np. częstotliwość,
wysokość umieszczenia anten czy parametry elektryczne gruntu. Z tego
powodu do obliczeń natężenia pola nie stosuje się na ogół
wzorów, jak ma to miejsce w przypadku innych zakresów
fal, lecz specjalnie opracowane krzywe propagacji, wyznaczone na
podstawie wielu pomiarów natężenia pola na różnych
obszarach i w różnych warunkach klimatycznych.
Cechą charakterystyczną fal ultrakrótkich
jest ich rozpraszanie w jono- i troposferze. Przy stosowaniu
nadajników o dużej mocy (rzędu 50 - 100 kW), wyposażonych w
anteny o dużym zysku energetycznym, można osiągnąć duże zasięgi.
Zjawisko rozpraszania troposferycznego umożliwia łączność na
odległość do 1000 km z szerokością pasma 5 MHz w zakresie
częstotliwości 50 MHz - 30 GHz. Z kolei rozpraszanie jonosferyczne
pozwala na osiągnięcie odległości 2000
km przy szerokości pasma 6 kHz i w wąskim zakresie częstotliwości 30
- 70 MHz.
Zjawisko odbicia fal od śladów
meteorów można także wykorzystać do uzyskania łączności na
duże odległości. Niestety, łącza tego typu charakteryzują się krótkim
czasem trwania. Współczynnik wykorzystania łącza, określany
jako stosunek czasu istnienia łącza do całkowitego czasu pracy
nadajnika, wynosi 3-16 %, zależnie od mocy nadajników i
parametrów anten. Zaletą takiego rozwiązania jest możliwość
wykorzystania małych nadajników i prostych anten do uzyskania
łączności na odległość do 2000 km przy szerokości pasma 3 kHz.
Natężenie pola dla propagacji przestrzennej
przedhoryzontowej (w zasięgu bezpośredniej widoczności anten) określa
się za pomocą wzoru Wiedeńskiego:
(4)
gdzie PN oznacza moc
nadajnika [W], GN - zysk energetyczny anteny
nadawczej [W/W], hN i h0- odpowiednio
wysokości zawieszenia anteny nadawczej i odbiorczej [m], R -
odległość od nadajnika [m], a λ - długość fali [m].
Moc sygnału, docierającego na wejście odbiornika, można
wyznaczyć z równania dopasowanej anteny odbiorczej:
(5)
gdzie E oznacza natężenie pola
elektrycznego fali [V/m], GO - zysk energetyczny
anteny odbiorczej [W/W], λ - długość fali [m], a PO
- moc sygnału na wejściu odbiornika [W].
Mikrofale (fale elektromagnetyczne o
częstotliwościach powyżej 300 MHz) rozchodzą się w sposób
zbliżony do promieni świetlnych. Częstotliwości z tego zakresu
wykorzystywane są w radiowych sieciach
lokalnych, pracujących wewnątrz budynków, a także np. w
systemach telefonii komórkowej. Na propagację mikrofal duży
wpływ ma środowisko pracy sieci, czyli ukształtowanie terenu oraz
wyposażenie wewnątrz budynków. Wskutek istnienia różnorodnych
przeszkód fale ulegają zjawiskom optyki geometrycznej:
odbiciu, załamaniu i rozproszeniu, których wynikiem są:
- zjawisko tzw. cienia radiowego (ang.
shadowing), tj. występowanie obszarów o pogorszonych
warunkach propagacji,
- zaniki Rayleigha, spowodowane nakładaniem się na siebie
fal o różnej fazie; zaniki występują w stałych odstępach
równych połowie długości fali nośnej,
- zaniki chwilowe, spowodowane np.
poruszaniem się ludzi lub przedmiotów lub krótkotrwałymi
zakłóceniami elektromagnetycznymi,
- dyspersja sygnału (ang. delay spread),
spowodowana odbiciami od dalekich przeszkód; powoduje ona
interferencje międzysymbolowe (ang. Intersymbol interference),
ograniczające prędkość transmisji.
W celu zapobieżenia efektom propagacji wielodrogowej
stosuje się następujące metody:
- wyrównywanie adaptacyjne (ang.
adaptive eąualizatiori), polegające na wprowadzaniu własnego
„echa" o tak dobranej amplitudzie i fazie, aby
wyelimiować sygnały odbite,
- rozpraszanie widma sygnału (ang. spread
spectrum), pozwalające na wyeliminowanie efektów
rozpraszania lokalnego,
- stosowanie odpowiednich zbiorczych anten
kierunkowych.
W sieciach mobilnych występuje także
zjawisko Dopplera, polegające na przesunięciu częstotliwości
docierającej do odbiornika w stosunku do częstotliwości wysyłanej
przez nadajnik.
Podczas projektowania mikrofalowych sieci
radiowych i analizy dróg sygnałów można wykorzystać
technikę śledzenia promieni (ang. ray tracing).
Światło laserowe i podczerwień
Alternatywą dla fal radiowych są fale
świetlne. Ich zaletą jest np. możliwość bardzo dokładnego skierowania
wiązki na odbiornik, dzięki czemu sieci znajdujące się na wspólnym
obszarze i korzystające z tych samych zakresów fal
elektromagnetycznych nie zakłócają się wzajemnie. W chwili
obecnej najczęściej wykorzystywane są fale z zakresu bliskiej
podczerwieni, a także światło laserowe.