« poprzedni punkt  następny punkt »


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: 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: Przy propagacji fal krótkich występują jeszcze inne zjawiska: 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: 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: W celu zapobieżenia efektom propagacji wielodrogowej stosuje się następujące metody: 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.


« poprzedni punkt  następny punkt »