Распространение, зоны приема метровых (ОВЧ) и дециметровых (УВЧ) волн

Общей особенностью для метровых и дециметровых волн является то, что они распространяются, в основном, в пределах прямой видимости. Напряженность поля волн убывает с увеличением расстояния от передающей антенны. У границы зоны прямой видимости возникают колебания уровня напряженности поля из-за огибания поверхности земли (явление дифракции) и искривление траектории волн за счет преломления в атмосфере (явление рефракции). Ввиду отражения от поверхности земли и преломления, обусловленного неоднородным строением атмосферы, в точку приема приходят две или более волн со случайными фазами и амплитудами. На распространение метровых и дециметровых волн также влияют метеорологические условия (температура, влажность, давление и т. д.), рельеф местности и многое другое.

Поскольку относительная диэлектрическая проницаемость воздуха в атмосфере убывает с высотой, траектория радиоволны получается искривленной, причем степень искривления зависит от характера изменения электрических свойств атмосферы. Поэтому дальность передачи телевизионного вещания несколько больше, чем рассчитанная теоретически. С учетом рефракции дальность радиовидимости увеличивается примерно на 15% по сравнению с оптической (прямой видимостью) и определяется формулой:

r=4. 12(H^0.5+h^0.5), (2.1)

где r- расстояние радиовидимости, км;

Н- высота установки передающей антенны, м;

h - высота установки приемной антенны, м.

НАПРИМЕР, если Н = 150 м, а h = 10 м, то дальность радиовидимости составит г = 4.12 (150^0.5 + 10^0.5) = 63,5 км. Если же приемная антенна находится на крыше девятиэтажного дома (h=30 м), то дальность г = 4.12(150^0.5+30^0.5) = 73 км. Следовательно, при увеличении высоты подвеса антенн дальность радиовидимости увеличивается.

Область распространения метровых и дециметровых волн удобно разделить на три зоны: освещенную (зона, ограниченная пределами прямой видимости), полутени и тени.

Под освещенной зоной следует понимать зону гарантированного приема телевизионных передач (до 0,8r). Это пространство, в пределах которого обеспечивается напряженность электромагнитного поля, достаточная для регулярного и качественного приема телевизионных сигналов с помощью любого телевизора. В ближней зоне (несколько километров от передающей антенны), напряженность поля характеризуется большой неравномерностью в виде периодических максимумов и минимумов, обусловленных интерференцией в точке приема между прямой и отраженной от поверхности Земли радиоволной. При установке антенны необходимо учитывать, что напряженность поля изменяется так, как показано на графике рис. 2. 2 [2. 1].

Рис. 2. 2. Расположение максимумов напряженности поля

Высоту первого ближайшего к земле максимума можно определить по приведенной ниже формуле (справедлива для расстояния до 25 км):

hm1 = l*R/4H, (2.2)

где hm1 - высота первого максимума напряженности поля, м;

l - длина волны, м;

R- расстояние между передающей и приемной антеннами, м;

Н - высота передающей антенны над окружающей местностью, м.

А второй максимум (hm2) будет находиться на высоте в 3 раза, а третий — в 5 раз большей, чем первый максимум. Для ближней зоны также характерен спад уровня сигнала, поскольку прием может осуществляться от боковых лепестков диаграммы направленности.

С увеличением расстояния от передающего центра напряженность поля падает, при этом действующее значение напряженности электромагнитного поля Ед определяется уравнением

Ед = 173 • (P* G*n):0.5/ R, (2.3)

где Ед - напряженность поля в свободном пространстве, мВ/м;

R - расстояние между передающей и приемной антеннами, км;

Р- мощность передатчика, кВт;

n - к.п.д. фидера антенны в относительных единицах;

G - коэффициент усиления по мощности передающей антенны

(относительно изотропной антенны). Если G выражено относительно полуволнового диполя, то под корень вводится множитель 1.64 при этом формула имеет вид

Ед = 222 • (P* G*n)^0.5I R. (2.4)

Для получения амплитудного значения напряженности поля, полученные значения при расчетах увеличивают в 2^0.5, т.е. в 1.4 раза.

Для удобства расчетов в ряде случаев напряженность поля выражают в децибелах по отношению к напряженности поля, равной 1 мкВ/м, и обозначают дБ/мкВ/м. В этом случае:

Е = 106,9 -20lg(R) +10lg(P) +10lg(G) +10lg(ri), (2.5)

где Е- напряженность поля, дБ;

R- расстояние между передающей и приемной антеннами, км;

Р- мощность передатчика, кВт;

G - коэффициент усиления по мощности передающей антенны;

n- КПД фидера антенны в относительных единицах

Так как высота антенн (передающих и приемных) в большинстве случаев намного меньше расстояния между ними, то при удалениях менее 0,8 расстояния радиовидимости напряженность поля с достаточной для практических целей точностью можно рассчитать по формуле Б.А. Введенского[2.2]:

Е=2,18*т*Н*h*( P*G*n)^0.5/l*R^2 (2.6)

где Е- напряженность поля, мВ/м;

R - расстояние между передающей и приемной антеннами, км;

Р - излучаемая мощность передающего центра, кВт;

G - коэффициент усиления передающей антенны;

n - КПД передающей антенны;

Н - высота подвеса передающей антенны, м;

h - высота подвеса приемной антенны, м;

l - длина волны в метрах;

т - поправочный коэффициент, учитывающий кривизну земной поверхности.

Формула 2.6 применяется при соблюдении неравенств:

R<=0.8r, (2.7) Н*h*m/R*l<=0,1. (2.8)

Для расстояний не более 25 км земную поверхность можно' считать плоской, т.е. можно считать т=1 рис.2.3, для чего надо рассчитать зону радиовидимости по формуле 2.1, отношение R/r и (h/H)^0.5.

Если эффективная излучаемая мощность передающей станции в глав ном направлении антенны

Pэ = Р • G • n, (2.9)

где Pэ - эффективная излучаемая мощность, кВт;

Р - мощность передатчика на входе фидера, кВт;

G - коэффициент усиления по мощности передающей антенны относительно изотропной антенны;

n- КПД фидера антенны в относительных единицах;

то формула 2.6 примет вид:

Е=2,18-т-Н-h- (Рэ)^0.5*/l*R^2 (2.10)

Возможность приема в зоне полутени (от 0, 8r до 1, 2r) во многом зависит от используемой антенны. Дело в том, что напряженность поля в этой зоне полутени быстро убывает с увеличением расстояния от телевизионного передатчика. Прием телевизионного сигнала в течение дня нестабилен, наблюдаются как быстрые, так и медленные изменения напряженности поля.

Следует учитывать, что только на небольших расстояниях от передающей станции приемную антенну легко установить в точку максимума напряженности поля. С увеличением расстояния высота первого максимума резко уходит вверх, поэтому приемную антенну приходится устанавливать как можно выше.

На дальность приема сильное влияние оказывает рельеф местности. Наиболее сложны условия приема на сильнопересеченной местности и в горных районах: множественные отражения от вершин и склонов гор вызывают на экране телевизионного приемника многоконтурность изображения. Прием сигналов за горами, холмами, а также в низинах и оврагах практически невозможен. Поэтому в некоторых горных населенных пунктах принимать ТВ сигналы можно только при использовании телевизионных ретрансляторов. На прием ТВ сигналов влияют также погодные условия, приводящие к значительным замираниям уровня сигнала за счет неоднородностей воздушных масс (температура, влажность, давление) непрерывно изменяющихся во времени.

В горных районах и на пересеченной местности граница зоны приема определяется наличием прямой видимости (хотя в некоторых местах благодаря эффекту усиления сигналов клиновидными препятствиями появляется возможность приема телепередач на расстояниях, значительно превышающих расстояния прямой видимости). Для этого на топографической карте строится профиль трассы с учетом наличия естественных и искусственных препятствий (рис. 2. 4). Построение трассы [2. 1] выполняют в таком масштабе по горизонтали и вертикали, чтобы было удобно определять наличие просвета и высоту установки приемной антенны.

Возможность приема в зоне тени в большинстве случаев носит не регулярный характер. Тем не менее случаи удовлетворительного приема на расстояниях, в несколько раз превышающих расстояния прямой видимости, встречаются.

Дальний прием зависит от многих факторов — состояния атмосферы, времени года, влияния солнечной активности и других, причем напряженность поля в случаях дальнего приема невелика.

Дальний прием возможен только на антенны с большим усилением. Условия, способствующие дальнему распространению радиоволн, возникают летом в ночное время над сушей, а в дневное время над морем. Сверхдальний прием возможен при определенных состояниях ионосферы, когда волны не проходят сквозь ионосферу, а отражаются от нее. Прием за счет отражений от ионосферы нерегулярен, чаще всего наблюдается на первом - третьем телевизионных каналах. Вследствие дальнего распространения радиоволн возможен одновременный прием передач местного и дальнего телецентра, при этом возникают искажения, имеющие вид утолщенных строк, перемещающихся в вертикальном направлении.

Прохождение волн на сверхдальние расстояния отмечается зимой в дневное время, в годы максимума солнечной активности (происходящие с периодом 11 лет и совпадающие с появлением большого числа пятен на Солнце). Существует прямая зависимость между числом пятен (в астрономии используется число Вольфа) и интенсивностью излучения. Чем больше число Вольфа, тем больше интенсивность излучения, тем сильнее ионизация слоев, тем лучше условия распространения радиоволн на высоких частотах.

Вероятность приема сигналов дальних телецентров чаще всего наблюдается на морском побережье, вследствие сверхрефракции. Обычно это происходит в летние месяцы при условии, когда температура воздуха выше температуры воды. Разность температур вызывает падение влажности, что в свою очередь влияет на коэффициент преломления воздуха с увеличением высоты и приводит к образованию волноводных слоев значительной протяженности.

Однако получение устойчивого изображения при дальнем и сверхдальнем приеме ТВ передач в течение длительного времени, вследствие аномальных явлений — не представляется возможным.