Propagacja fal radiowych

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale długie (1)

Zakres częstotliwości od 15 do 100

kHz

(20 000 ... 3 000 m)

Fale bardzo długie

–

dłuższe niż 20 km

Rozchodzą się na duże odległości w postaci fali powierzchniowej

W odległościach 1000

–

2000 km od nadajnika przeważa fala jonosferyczna

Rozchodzą się jak w kulistym falowodzie z

tłumieniem, ulegając odbiciom od ziemi i od

dolnej warstwy jonosfery (obszar D

–

dzień, obszar E

–

w nocy)

Do obliczeń natężenia pola wykorzystywane

są wzory

półempiryczne Austina

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale długie (2)

Wzór

Austina

na natężenie pola fal długich (

w V/m)

0014

sin

300

−

Gdzie

t mi

dzy punktem nadawczym i

odbiorczym

ugo

ść

fali [km]

Przy znanej wysokości skutecznej anteny

([m]) i wartości skutecznej prądu u

postawy anteny I

([A])

0014

sin

120

−

W rzeczywistości natężenia pola nie maleje monotonicznie

–

występują

minima i maksima

Występuje kilka składowych

–

kilka

modów

propagacji w falowodzie Ziemia

–

jonosfera

Warunki propagacji ulegają małym i powolnym zmianom w czasie

Tłumienie wprowadzane przez jonosferę podlega wahaniom dobowym,

sezonowym i rocznym

Obserwuje się także wpływ jedenastoletniego cyklu aktywności Sło

ńca

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale długie (3)

Fale długie

–

stosowane w służbie czasu i

częstotliwości wzorcowych, systemach

nawigacyjnych

–

istotne czasy przejścia

sygnałów

Dobowe zmiany czasu przejścia

–

kHz

Rugby (Anglia)

–

Cambridge

Massachusetts

(USA)

Długość trasy

–

5200 km

Małe, przypadkowe fluktuacje o

odchyleniu standardowym ok. 2

ksze zmiany czasu przej

cia, ok. 34

charakter quasi okresowy

–

zwi

zane z

obecno

strefy

wiat

ocienia na trasie

propagacji

Przebieg natężenia pola w ciągu doby

–

odległość od nadajnika 5000 km

Wzrasta w nocy (tłumienie warstwy

E jonosfery mniejsze niż tłumienie

warstwy D)

dzień

półmrok

noc

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale długie (4)

Średnie wahania roczne natężenia pola 20

–

50%

W dzień natężenie pola większe latem, w nocy

zimą

Wpływ jedenastoletniego okresu

aktywności słonecznej

Długość fal bardzo długich

–

porównywalna z wysokością najniższej warstwy

jonosfery

–

falowodowy mechanizm rozchodzenia się fal

Fale b. długie

–

małe tłumienie

Wykorzystywane w nawigacji

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale długie (5)

Przykład

R = 4000 km, moc nadajnika 500

, częstotliwość 16,67

kHz

, sprawność anteny

Moc promieniowana, uwzględniając sprawność anteny

Kąt

stosunek odleg

ci R mierzonej wzd

powierzchni Ziemi do

promienia kuli Ziemskiej

500

⋅

629

6370

4000

rad

16,67

kHz

odpowiada

=18 km

Zależność natężenia pola od odległości (z wzoru

Austina

)

183

sin

628

4000

300

4000

0014

−

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale średnie (1)

Zakres częstotliwości od 100

kHz

do 1,5

MHz

(3 000 ... 200 m)

Do anteny odbiorczej dociera fala

powierzchniowa i jonosferyczna

W ciągu dnia absorpcja dolnych warstw

jonosfery praktycznie pochłania całkowicie

–

o zasięgu decyduje propagacja fali

powierzchniowej

Fala powierzchniowa

Zasięg maleje z długością fali

–

zależy od konduktywności gruntu

Największy zasięg

–

nad morzem

Najmniejszy

–

grunt o małej konduktywności (piaski, tereny miejskie)

Metody obliczania

–

podano na wykładzie

–

rozchodzenie się fali przyziemnej

W nocy

–

o zasięgu decyduje fala jonosferyczna

–

rekombinacja w obszarze D

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale średnie (2)

Natężenie pola fali jonosferycznej

Fala wypromieniowana z punktu A pod kątem

przez anten

o charakterystyce F(

)

Punkt C

–

wysokość pozorna warstwy E

Długość drogi od anteny nadawczej A do anteny

odbiorczej B

Natężenie pola w punkcie B

–

natężenie pola fali rozchodzącej się wzdłuż drogi l

Istotna jest tylko składowa pionowa, która podwaja się wskutek o

dbicia od ziemi,

zatem

cos

)

(

)

(

−

sin

)

(

–

zysk energetyczny anteny nadawczej

względem źródła izotropowego

–

moc doprowadzona do anteny

)

(

cos

–

promień kuli ziemskiej

owa k

rodkowego

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale średnie (3)

Natężenie pola fali jonosferycznej

Natężenie pola w zależności od długości trasy i wysokości warstw

y odbijającej H

Jeden skok fali nie przekracza 1500 km

–

pomijamy krzywiznę ziemi

Po podstawieniu

≈

)

(

240

cos

≈

)

(

347

P w

;

H w km; natężenie pola w

W przypadku krótkiej, bezstratnej anteny o charakterystyce

i zysku energetycznym 3

cos

sin

)

(

i zysku energetycznym 3

(

)

600

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale średnie (4)

Teoretyczne krzywe natężenia pola fali jonosferycznej dla anten

pionowych o

różnej wysokości

W małych odległościach natężenie pola małe

–

mała wartość funkcji F(

) dla

ych k

w elewacji

Dla dużych odległości natężenie pola rośnie, a później maleje

–

wzrost F(

) nie

przewa

a zmniejszenia si

pola ze wzgl

du na wzrost odleg

Dla anteny krótkiej, maksimum natężenia pola w odległości

Wysokość warstwy E 100

–

120 km, to maksimum natężenia pola w odległości

300 km

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale średnie (5)

Krzywe propagacji jonosferycznej dla fal średnich

Wzór na

nie uwzględnia ciągłych wahań natężenia pola fali jonosferycznej

Warunki rzeczywiste rozchodzenia się fali należy traktować staty

stycznie

Wielkości charakterystyczne

•

Górny,dolny

decyl

–

wartości przekraczane przez 90 lub 10 % czasu

•

Mediana

–

wartość przekraczana w ciągu 50% czasu

Medianę wykorzystuje się do wyznaczania sygnału użytecznego

Dolny

decyl

do prognozowania zakłóceń interferencyjnych

Mediana natężenia pola fali jonosferycznej (ITU

R) w

(

v/m)

)

(

)

(

−

∆

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale średnie (6)

Mediana natężenia pola fali jonosferycznej (ITU

R) w

(

v/m)

Przy czym równanie krzywych podstawowych (rys. na następnej stro

nie)

–

odległość [km]; F

–

częstotliwość [

kHz

]

współczynnik korekcyjny uwzględniający

kę

anteny

–

zysk energetyczny anteny względem bezstratnej anteny krótkiej n

ad idealną

ziemią

–

moc doprowadzona do anteny [

(

)]

∆

–

wsp

czynnik korekcyjny uwzgl

dniaj

cy szeroko

ść

geomagnetyczna

∆

(50)

–

mediana wsp

czynnika korekcyjnego uwzgl

dniaj

cego r

nic

czasu

lokalnego

rodka trasy w stosunku do godziny 00.00

–

liczba

Wolfa

0018

−

(

)

(

∆

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale średnie - zaniki (1)

W ciągu dnia

–

dominuje fala powierzchniowa

–

nie występują zaniki

W nocy

W pobliżu nadajnika

–

dominuje fala powierzchniowa

–

nie występują zaniki

obszar bliskiego zasięgu (pierwsza strefa odbioru)

Rozmiar obszaru bliskiego zależy od długości fali, konduktywnośc

i gruntu oraz

charakterystyki promieniowania anteny nadawczej

Strefa interferencji

Natężenia fali powierzchniowej i jonosferycznej tego samego rzęd

•

Warunki propagacji fali jonosferycznej ulegają zmianie

–

zmieniają się relacje fazowe obu

fal

–

dodają się albo odejmują

–

wahania pola wypadkowego

•

Amplituda i częstotliwość wahań wzrasta przy zmniejszaniu długoś

ci fali

Wahania natężenia pola

•

Częstotliwość 1,08

MHz

•

Odległość od nadajnika 124 km

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale średnie - zaniki (2)

W nocy

Obszar dalekiego zasięgu (trzecia strefa odbioru)

Duża odległość od nadajnika, natężenie fali powierzchniowej

–

pomijalne

Występują zaniki

–

propagacja wielodrogowa

Częstotliwość i amplituda wahań mniejsze niż w strefie interfer

encji

Występują zaniki selektywne

Zaniki selektywne

–

nośna 610

kHz

modulowana przebiegiem 500Hz

•

Zaniki na nośnej i wstęg bocznych

niesynchroniczne

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale średnie - przykład (1)

Wyznaczyć zasięg radiostacji o mocy P = 300

, f = 818

kHz

, stał konduktywność 10

/m; obliczenia dla dwóch anten: 0,25

i 0,555

Zasięg dzienny

Z krzywych propagacyjnych

–

interpolacja pomiędzy f = 700

kHz

i 1000

kHz

(krzywe dla

mocy 1

, fala przyziemna

–

ITU

R Rec.368

Dodać poprawkę wynikającą z mocy 24,8

(10 log300)

Poprawka ze względu na zysk energetyczny anteny(wzgl. anteny kró

tkiej)

•

0,4

dla anteny 0,25

•

2,7

dla anteny 0,555

Wartość graniczna natężenia pola

0,25

0,555

Zasięg dzienny 140 km

Zasięg dzienny 156 km

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale średnie - przykład (2)

Zasięg nocny

Sinusoidalny rozkład prądu w antenie, charakterystyka anteny o w

ysokości h

P w

; R i H w km, natężenie pola w

0,55

0,2

Zasięg dzienny

140 km

Zasięg dzienny

156 km

−

sin

)

cos(

)

cos

cos(

)

(

)

cos(

)

cos(

cos

347

−













−













niech wysokość warstwy odbijającej H = 100 km;

Zysk anten: 0,25

3,28 i 0,555

5,6 (bezstratne anteny)

Dla anteny

0,25

dla anteny 0,555













cos

























200

cos

200













Granica pierwszej strefy

odbioru

–

fala

powierzchniowa 6

powyżej fali jonosferycznej

•

a) zasięg bliski 90 km

•

b) interferencje do 175

km, ale zasięg 156 km w

porze nocnej i dziennej

J.M. Janiszewski - materiały do wykładu "Propagacja fal radiowych"

Fale pośrednie

Częstotliwości 1,5

–

MHz

Właściwości przejściowe pomiędzy propagacją fal średnich i krótk

ich

Udział propagacji średniofalowej maleje ze wzrostem częstotliwo

ści, dodatkowy wpływ

stanu jonosfery i rodzaju terenu

Stosowane wtedy, gdy może być wykorzystywany mechanizm propagacj

i jonosferycznej

Wykorzystywane na morzu

–

jednostki rybackie

Krzywe propagacji w porze dziennej (2,5

MHz

)

–

parametr szerokość geograficzna

Krzywe propagacji w porze nocnej (3

MHz

)

–

absorpcja warstwy E mała

–

nie zależy od

częstotliwości

Document Outline