Zasięg transmisji radiowej

Pojęcia ogólne.


Wybór częstotliwości do prowadzenia łączności i moc nadajnika określa się na podstawie:

  1. Odległości pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem oraz ich położenia geograficznego
  2. Charakteru powierzchni ziemi.
  3. Poziomu zakłóceń w miejscu odbioru i czułości odbiornika.
  4. Rodzajem emisji (telegrafia, fonia, transmisja danych), szerokością spektrum modulacji.

Ostatnie dwa czynniki określają konieczne natężenie pola w miejscu odbioru, a więc i moc nadajnika.
Linie łączności dwustronnej muszą gwarantować dodatkowo jednakowe warunki transmisji fal w obie strony.
Najmniejsza odległość (w kilometrach) między dwoma punktami A i B na powierzchni ziemi, może być określona z następującej zależności:

d=(2*p*R*q)/360°

gdzie R=6400 km – promień ziemi

q - kąt między dwoma promieniami ziemi, przechodzącymi między punkty A i B, można go wyliczyć z zależności:

cos q = sin f1* sin f2 + cos f1 * cos f2* cos( a1- a2)

gdzie f1 i f2 - szerokości geograficzne, a a1 i a2 długości geograficzne punktów A i B.

Kąt między kierunkiem rozchodzenia się energii elektromagnetycznej i południkiem w punkcie C szerokości f1, znajduje się z wyrażenia:

sin g = (cos f2 / sin q) * sin ( a1- a2)

Wielkość natężenia pola w miejscu odbioru jest podstawową wielkością określającą parametry łączności radiowej.
Przy współczesnym poziomie techniki odbiorczej, konieczne natężenie pola do przeprowadzenia łączności radiowej określa poziom zakłóceń elektromagnetycznych. Przy łączności na falach długich i falach zakresu średniofalowego, konieczne minimalne natężenie pola, ogranicza się wielkością zakłóceń atmosferycznych i przemysłowych w dużych metropoliach.
W miastach minimalne natężenie pola ogranicza poziomem zakłóceń przemysłowych, znacznie przewyższający zakłócenia atmosferyczne. W miejscowościach położonych daleko od wielkich miast, minimalne natężenie pola na falach krótkich (dla l <20 m.) ogranicza poziom szumów własnych odbiornika radiowego. Dla uzyskania dobrego odbioru konieczne jest zapewnienie większego pola elektromagnetycznego nadajnika od pola zakłóceń elektromagnetycznych.
 

Rodzaj odbioru Minimalny stosunek synału do zakłóceń
telegrafia 2
transmisja danych 5
telefonia 30
radiofonia 100


 

Jeżeli poziom zakłóceń w miejscu hipotetycznego odbioru jest nieznany, to dla obliczenia zasięgu łączności radiowej można przyjąć średnią wartość natężenia pola:

Natężenie pola w mV/m.:
 

Rodzaj odbioru Fale długie Fale średnie Fale pośrednie Fale krótkie UKF Uwagi
Telegrafia 40 15 10 5 7  
Audycja radiowa 150 - - 15 50 Audycje muzyczne
Telefonia 800 150 150 15 150 -
Radiofonia - 10000 - 200 100 W dużym mieście
Radiofonia - 1000 - 100 50 Na wsi

Natężenie pola można wyrazić w decybelach, przyjęto za zerowy poziom natężenia wartość 1mV/m.


Równanie idealnej łączności radiowej.

Do otrzymania w punkcie odbioru, koniecznej wielkości natężenia pola E, w punkcie nadawczym powinna znajdować się moc PS, określonazależnością:

PS = F(E)

Na podstawie rzeczywistych warunków rozchodzenia sięenergii elektromagnetycznej, określenie mocy nadajnika okazuje się złożonym zadaniem. Idealizując rzeczywiste procesy rozprzestrzeniania się energii elektromagnetycznej, należy przyjąć, że energia rozchodzi się z punktu promieniowania równomiernie we wszystkich kierunkach, nie doznając tłumienia. Przy takim założeniu energia przepływająca w ciągu jednej sekundy przez jeden metr kwadratowy powierzchni, znajdującej się w odległości r od źródła promieniowania, ogranicza się wektorem Umowa-Pojtinga:

P=PS/(4*p*r2)

Wektor Umowa-Pojtinga związany jest z natężeniem pola elektrycznego E i magnetycznego H, następującym wzorem:

P=0,5*E*H stąd:

PS/(4*p*r2)= 0,5*E*H

Zależność między natężeniem pola elektrycznego i magnetycznego:

H=E/(120p) dalej:

PS/ r2 = E2/60 skąd:

       ______
E=Ö60* PS / r

W rzeczywistości, należy określić natężenie pola w punkcie odbioru, uwzględniając składową natężenia pola, tworzącą zwierciadlany obraz anteny:

       ______          _______
E=Ö60* PS / r =Ö120* PS / r [V/m.]

Zastosowanie w stacji nadawczej anteny kierunkowej, zwiększa moc promieniowania D razy:

       _________
E=Ö120* PS*D / r [V/m.]

Po wyrażeniu pola w mV/m., mocy promieniowania w kW i zasięgu łączności r w km otrzymujemy:

                           __________________
E [mV/m ]=(106Ö120* PS[kW]*1000*D) / (r[km]*1000) czyli:
 
 

                                    ________
E [mV/m ]=(3,46*105ÖPS[kW]*D) / r[km]
 
 

Gdzie: E [mV/m ] - amplituda natężenia pola w odległości r[km] od anteny nadawczej w kierunku maksymalnego promieniowania anteny. Powyższą zależność przyjęto nazywać wzorem idealnej transmisji radiowej.
Przy praktycznych obliczeniach, moc promieniowania nadajnika powinna być skorygowana dodatkowym mnożnikiem F(b), uwzględniającym pochłanianie energii elektromagnetycznej przez środowisko:

                                      ________
E [mV/m ]={(3,46*105ÖPS[kW]*D) / r[km] }*F(b)
 
 
 

Łączność na falach średnich i pośrednich.

Natężenie pola na falach średnich dla najgorszych warunków (lato, dzień), może być
wyliczona z równania:

                                      ________
E [mV/m ]={(3,46*105ÖPS[kW]*D) / r[km] }*F(b)

Określając mnożnik pochłaniania ze wzoru:

             (-0,0035r / l0,3 )
F(b)= e                                            gdzie:

r i l wyrażone w km

W zakresie fal średnich i pośrednich (l=60-2000 m.) do określenia mnożnika tłumienia może być wykorzystana zależność M.B. Szulejkina:

F(b)= (2+0,3x)/(2+x+0,6x2 ) gdzie

x- odległość liczbowa, zależna od parametrów linii łączności radiowej, określona wzorem:

                              ___________
x=( p*103*r)/( l Ö e 2+(60*l*s)2) gdzie
 
 

r- długość linii łączności radiowej w km

l- długość fali w metrach

e » 3 do 4 - względna przenikalność dielektryczna suchej gleby,

s » 10-3 - przewodnośćwłaściwa gleby
 
 
 

Łączność na falach krótkich.

W zakresie krótkofalowym, fala przyziemna praktycznie zanika w odległości kilkudziesięciu kilometrów, niezależnie od pory dnia i roku.
Do orientacyjnego obliczenia natężenia pola w tej strefie może być wykorzystana formuła B. A. Wwiedeńskiego:

                                     ______
E [mV/m ]={(980* p*ÖPS[kW]) / l [m] }*{(h1[m.]*h2[m.])/r2 [km]}
 

gdzie:

PS[kW] – moc promieniowana

h1[m.] i h2[m.] –wysokość anteny nadawczej i odbiorczej

l [m] - długość fali

r [km] – promień rozchodzenia się fali przyziemnej

Dla całej łączności radiowej na falach krótkich głównie wykorzystuje się fale przestrzenne.
Odległość między punktem promieniowania A i punktem odbicia fal od górnej warstwy jonizacyjnej B nazywa się strefą milczenia, w tej strefie odbiór jest niemożliwy.

Przykładowa wielkość strefy milczenia d w zależności od długości fali ( dla warunków dziennych):
 

l [m] 20 30 40 50
d[km] 1000 do 1500 400 do 700 200 do 300 80 do 150

W nocy przestrzeń strefy milczenia zwiększa się 2 do 4 razy.
Struktura jonosfery zmienia się w zależności od aktywności słońca, dlatego warunki rozchodzenia się fal krótkich na duże odległości są niestałe. Wybór optymalnej częstotliwości określa się własnościami warstwy jonizacyjnej pochłaniającej i odbijającej energię elektromagnetyczną, z różną intensywnością w zależności od długości fali. Przy rozchodzeniu się energii elektromagnetycznej w ośrodku półprzewodzącym (w warstwie jonizacyjnej), zmniejszenie amplitudy natężenia pola ze zwiększeniem odległości r zachodzi według prawa:

   (-br)
e                                 gdzie b -współczynnik pochłaniania
 
 

b = (A1*N*n)/f2
 
 

Zależy od iloczynu koncentracji elektronowej N, ilości zderzających się elektronów z neutralnymi molekułami n . Iloczyn N*n dla warstwy E jest przykładowo sto razy większy niż dla warstwy F2. Dlatego pochłanianie energii zachodzi głównie w warstwie E. Współczynnik pochłaniania jest odwrotnie proporcjonalny do kwadratu częstotliwości i dla zmniejszenia tłumienia, wykorzystuje się do łączności możliwie najwyższe częstotliwości. W dzień, kiedy koncentracja elektronowa N wzrasta, przechodzenie na wyższe częstotliwości nadawania zmniejsza wartość współczynnika pochłaniania b.
Wykorzystanie wyższych częstotliwości, aby otrzymać mniejsze tłumienie w warstwie E, jest ograniczone tym, że odbicie energii elektromagnetycznej zachodzi tylko przy częstotliwościach mniejszych od f kr (częstotliwości krytycznej).
Częstotliwość f kr zależy od koncentracji elektronowej :

            ______
F kr= Ö A2*N
 

Koncentracja elektronowa N w warstwie F2 jest większa niż w warstwie E, dlatego odbicie energii zachodzi głównie od warstwy F2. W dzień, kiedy koncentracja elektronowa N wzrasta, mogą być wykorzystywane wyższe częstotliwości nadawania, w nocy należy przejść na niższe częstotliwości. Dzienna, krótsza fala, w nocy, gdy koncentracja elektronowa N zmniejsza się, nie będzie odbijać się od warstwy F2, a nocna dłuższa fala w dzień, przy pełnym odbiciu od warstwy F2 będzie doznawać silnego tłumienia w warstwie E. Dla zapewnienia odbicia energii od warstwy F2 i uzyskania najmniejszego tłumienia w warstwie E, określono minimalne długości fal (f<f kr) dla dowolnej pory dnia i roku:

Minimalna długość fali w [ m.] (dniem/nocą):
 

Zasięg [ km] lato wiosna-jesień zima
500 40/50 45/60 60/90
1000 28/40 30/58 38/70
2000 18/32 20/40 28/50
4000 16/22 18/33 22/40

Do otrzymania pewnej łączności, należy wybrać fale o długości zawartej w tabeli.