Распространение радио

Для журнала см. Радиопроизводство (Journal) .

Распространение радио - это поведение радиоволн по мере их перемещения или распространения , от одной точки до другой в вакууме или в различные части атмосферы . В качестве формы электромагнитного излучения , как и световые волны, радиоволны влияют явления отражения , преломления , дифракции , поглощения , поляризации и рассеяния . Понимание влияния различных условий на распространение радио имеет много практических применений: от выбора частот для любительских радиосвязи , международных коротковолновых вещателей , до проектирования надежных мобильных телефонных систем, радиовигации , работы радиолокационных систем.

Несколько различных типов распространения используются в практических системах радиопередачи. Распространение линии зрения означает радиоволны, которые перемещаются по прямой линии от передающей антенны до приемной антенны. Передача линии зрения используется для радиопередачи средней дистанции, такой как сотовые телефоны , беспроводные телефоны , районы , беспроводные сети , радио-радио , телевизионное вещание , радиолокационные и спутниковые связи (такие как спутниковое телевидение ). Передача линейки на поверхности Земли ограничена расстоянием до визуального горизонта, что зависит от высоты передачи и получения антенн. Это единственный метод распространения, возможный на микроволновых частотах и ​​выше.

На более низких частотах в MF , LF и VLF полосах дифракция позволяет радиоволзам сгибаться над холмами и другими препятствиями и перемещаться за горизонтом, следуя контуру земли. Они называются поверхностными волнами или земной волны распространением . AM вещание и любительские радиостанции используют наземные волны, чтобы покрыть свои области прослушивания. По мере того, как частота становится ниже, затухание с расстоянием уменьшается, поэтому очень низкую частоту (VLF) до чрезвычайно низкой частоты для общения по всему миру можно использовать (ELF). Волны VLF -ELF могут проникнуть в значительные расстояния через воду и землю, и эти частоты используются для общения на шахте и военного общения с подводными подводными лодками .

На средней волны и короткой волны частотах ( MF и HF -полос) радиоволны могут преломлять ионосферу , слой заряженных частиц ( ионов ) высоко в атмосфере. Это означает, что средние и короткие радиоволны, передаваемые под углом в небо, можно преломлять на землю на больших расстояниях за горизонтом - даже трансконтинентальные расстояния. Это называется Skywave распространением . Он используется любительскими радиосипмерами для общения с операторами в отдаленных странах и короткими вещательными станциями для передачи на международном уровне.

Кроме того, существует несколько менее распространенных механизмов распространения радиосвязи, таких как тропосферное рассеяние (Troposcatter), тропосферный проток (Ducting) на частотах VHF и почти вертикальная заболеваемость (NVIS), которые используются, когда связь с ВЧ желается в течение нескольких сотен миль.

Частотная зависимость

На разных частотах радиоволны проходят через атмосферу различными механизмами или модами:

Радиочастоты и их основной способ распространения

Группа		Частота	Длина волны	Распространение через
Эльф	Чрезвычайно низкая частота	3–30 Гц	100 000–10 000 км	Направляется между землей и слоем D ионосферы.
SLF	Супер низкая частота	30–300 Гц	10 000–1000 км	Руководствуется между землей и ионосферой .
Ульф	Ультра низкая частота	0,3–3 кГц (300–3000 Гц)	1000–100 км	Руководствуется между землей и ионосферой .
VLF	Очень низкая частота	3–30 кГц (3000–30 000 Гц)	100–10 км	Руководствуется между землей и ионосферой . Грунтовые волны .
LF	Низкая частота	30–300 кГц (30 000–300 000 Гц)	10–1 км	Руководствуется между землей и ионосферой. Грунтовые волны .
Млн	Средняя частота	300–3000 кГц (300 000–3 000 000 Гц)	1000–100 м	Грунтовые волны . E, f слой ионосферный рефракция ночью, когда поглощение D слоя ослабевает.
Hf	Высокая частота ( короткая волна )	3–30 МГц (3 000 000–30 000 000 000 Гц)	100–10 м	E слой ионосферный рефракция. F1, F2 слой ионосферный рефракция.
VHF	Очень высокая частота	30–300 МГц (30,000,000– 300 000 000 Гц)	10–1 м	Размножение линии . Нечастое ионосферное (E S ) преломление . Необычайно F2 слой ионосферной рефракции во время высокой активности солнечного пятна до 50 МГц и редко до 80 МГц. Иногда тропосферный воздуховоды или метеорное рассеяние
UHF	Ультра высокая частота	300–3000 МГц (300,000,000– 3 000 000 000 Гц)	100–10 см	Размножение линии . Иногда тропосферный канал .
Шф	Супер высокая частота	3–30 ГГц (3,000,000,000– 30 000 000 000 Гц)	10–1 см	Размножение линии . Иногда рассеянный дождь .
EHF	Чрезвычайно высокая частота	30–300 ГГц (30,000,000,000– 300 000 000 000 Гц)	10–1 мм	Распространение линии , ограниченное всасыванием атмосферы до нескольких километров (миль)
ТГФ	Чрезвычайно высокая частота	0,3–3 ТГц (300,000,000,000– 3 000 000 000 000 Гц)	1–0,1 мм	Распространение линии , ограниченное всасыванием атмосферы до нескольких метров.
Для	Дальний инфракрасный свет (перекрывает радио)	0,3–20 ТГц (300,000,000,000– 20 000 000 000 000 Гц)	1000–150 мкм	Распространение линии зрения , в основном ограниченное поглощением атмосферы до нескольких метров.

Распространение свободного пространства

Дополнительная информация: потеря пути свободного пространства

В свободном пространстве все электромагнитные волны (радио, свет, рентгеновские лучи и т. Д.) Соблюдают закон о обратном квадрате, в котором говорится, что плотность власти $\rho \,$ электромагнитной волны пропорциональна обратному квадрату расстояния $r\,$ из точечного источника или:

$\rho \propto {\frac {1}{r^{2}}}~.$

На типичных расстояниях связи от передатчика передающая антенна обычно может аппроксимировать точечным источником. Удвоение расстояния приемника от передатчика означает, что плотность мощности излучаемой волны в этом новом месте уменьшается до четверти его предыдущего значения.

Плотность мощности на поверхностную единицу пропорциональна продукту электрического и магнитного поля. Таким образом, удвоение расстояния пути распространения от передатчика уменьшает каждую из этих полученных сил поля по пути свободного пространства на половину.

Радиоволны в вакуумном движении со скоростью света . Атмосфера Земли достаточно тонкая, что радиоволны в атмосфере перемещаются очень близко к скорости света, но изменения плотности и температуры могут вызвать некоторую небольшую преломление (изгиб) волн на расстояниях.

Прямые режимы (линия зрения)

Основная статья: распространение линии зрения

Линия осторожно относится к радиоволнам, которые перемещаются непосредственно в линии от передающей антенны до приемной антенны, часто также называемой прямой волной. Это не обязательно требует очищенного пути зрения; На более низких частотах радиоволны могут проходить через здания, листва и другие препятствия. Это наиболее распространенный режим распространения на VHF и выше, и единственный возможный режим на микроволновых частотах и ​​выше. На поверхности Земли распространение линии зрений ограничена визуальным горизонтом примерно до 40 миль (64 км). Это метод, используемый мобильными телефонами , Беспроводные телефоны , районы , беспроводные сети , микроволновые радио-реле , FM и телевизионное вещание и радар . Спутниковая связь использует более длинные пути по внешности; Например, домашние спутниковые блюда получают сигналы от спутников связи 22 000 миль (35 000 км) над землей, а наземные станции могут общаться с космическими кораблями в миллиарды миль от земли.

на земле Эффекты отражения являются важным фактором в распространении линейки VHF. Вмешательство между прямой линией луча и отраженной луча заземления часто приводит к эффективной мощности обратной части ( 1 ⁄ distance ⁴ ) Закон для излучения с ограниченной плоскостью.

Моды поверхности (земля)

Основная статья: Земная волна

Распространение земной волны

Более низкая частота (от 30 до 3000 кГц) вертикально поляризованные радиоволны могут перемещаться в виде поверхностных волн после контура земли; Это называется распространением земной волны .

В этом режиме радиоволны распространяются путем взаимодействия с проводящей поверхностью Земли. Волна «цепляется» на поверхность и, таким образом, следует за кривизны земли, поэтому земные волны могут перемещаться по горам и за горизонтом. Наземные волны распространяются в вертикальной поляризации, вертикальные антенны ( монополи поэтому требуются ). Поскольку земля не является идеальным электрическим проводником, заземляющие волны ослабляются , когда они следуют поверхности Земли. Затухание пропорционально частоте, поэтому грунтовые волны являются основным способом распространения на более низких частотах, в полосах MF , LF и VLF . Наземные волны используются радиовещательными станциями в группах MF и LF, а также для сигналов времени и радиовигационных систем.

На более низких частотах, в полосах VLF - ELF , механизм волновода-ионосферы Земля ионосфера позволяет пропустить еще большую передачу. Эти частоты используются для безопасной военной связи . Они также могут проникнуть в значительную глубину в морскую воду, и поэтому используются для одностороннего военного общения для подводных лодок.

Ранняя радиосвязь на длинные дистанции ( беспроводная телеграфия ) до середины 1920-х годов использовала низкие частоты в длинных полосах и полагалась исключительно на распространение грунтовых волн. Частоты выше 3 МГц считались бесполезными и были переданы любителям ( радио -любителей ). Открытие около 1920 года ионосферного отражения или механизма Skywave сделало среднюю волну и частоты коротких волн полезными для связи на расстоянии, и они были выделены коммерческим и военным пользователям.

Нелинейные режимы

Этот раздел представляет собой выдержку из не-линии подсветки распространения . [ редактировать ]

Распространение радиосвязи (NLOS) происходит за пределами типичной линии зрения (LOS) между передатчиком и приемником, например, в отражениях наземных отражений . Условия, находящиеся вблизи высокого признака (также NLOS), относятся к частичной обструкции физическим объектом, присутствующим в внутренней зоне Френеля .

Препятствия, которые обычно вызывают распространение NLOS, включают здания, деревья, холмы, горы и, в некоторых случаях, линии электрических электропередач высокого напряжения . Некоторые из этих препятствий отражают определенные радиочастоты, в то время как некоторые просто поглощают или искажают сигналы; Но, в любом случае, они ограничивают использование многих типов радиопередач, особенно когда низкий бюджет мощности.

Более низкие уровни мощности в приемнике снижают вероятность успешного получения передачи. Низкие уровни могут быть вызваны как минимум тремя основными причинами: низкий уровень передачи, например, Wi-Fi уровни мощности ; далекий передатчик, такой как 3G , более 5 миль (8,0 км), или телевизор , более 31 мили (50 км) на расстоянии; и обструкция между передатчиком и приемником, не оставляя четкого пути.

NLOS снижает эффективную полученную мощность. Обычно можно обращаться с использованием лучших антенн, но не сцепляется с использованием лучших антенн, но не для линии зрения обычно требуются альтернативные пути или методы многолучевого распространения.

Как достичь эффективной сети NLOS стало одним из основных вопросов современных компьютерных сетей. В настоящее время наиболее распространенным методом работы с условиями NLO в беспроводных компьютерных сетях является просто для обхода условия NLOS и размещения реле в дополнительных местах, отправляя содержание радиопередачи вокруг препятствий. В некоторых более продвинутых схемах передачи NLO в настоящее время используются распространение многолучевого сигнала, отскакивая радиосигнал от других близлежащих объектов, чтобы добраться до приемника.

Нестандартная подсветка (NLOS)-это термин, который часто используется в радиосвязи для описания радиоканала или связи, где нет визуальной линии обзора (LOS) между передающей антенной и приемной антенной . В этом контексте LOS взят

• Либо в виде прямой линии, свободной от какой -либо формы визуальной обструкции, даже если она на самом деле слишком отдален, чтобы видеть с неверированным человеческим глазом
• В качестве виртуального LOS IE, как прямая линия через визуально препятствующий материал, оставляя достаточную передачу для обнаружения радиоволн.

Существует много электрических характеристик трансмиссионной среды, которые влияют на распространение радиоволн и, следовательно, на качество работы радиоканала, если это возможно вообще, по пути NLOS.

Аббревиатура NLOS стала более популярной в контексте сети беспроводной локальной области (WLAN) и беспроводных столичных сетей, таких как WiMAX, потому что способность таких связей обеспечить разумный уровень охвата NLOS значительно повышает их рыночность и универсальность в типичной городе. среда, где они чаще всего используются. Однако NLOS содержит много других подмножеств радиосвязи.

Влияние визуальной обструкции на ссылку NLOS может быть чем угодно, от незначительного до полного подавления. Пример может применяться к пути LOS между антенной телевизионной трансляции и полученной крышей. Если между антеннами проходило облако, ссылка может стать NLO, но качество радиоканала может быть практически не затронуто. Если вместо этого на пути было построено большое здание, делающее его NLO, канал может быть невозможно получить.

Помимо линии зрения (BLOS) является связанным термином, часто используемым в военных для описания возможностей радиосвязи, которые связывают персонал или системы, слишком отдаленные или слишком полностью скрытые местностью для LOS Communications. В этих радиоприемниках используются активные ретрансляторы , распространение грунтовых волн , связи с тропосферными рассеяниями и распространение ионосферы , чтобы расширить диапазоны связи от нескольких километров до нескольких тысяч километров.

Измерение распространения HF

Условия распространения HF могут быть смоделированы с использованием моделей распространения радио , таких как программа анализа охвата голоса Америки , и измерения в реальном времени могут быть выполнены с использованием передатчиков CHIRP . Для радио -любителей режим WSPR предоставляет карты с условиями распространения в реальном времени между сетью передатчиков и приемников. Даже без специальных маяков могут быть измерены условия распространения в реальном времени: всемирная сеть приемников декодирует сигналы кода Морса на радиочастотах любителя в реальном времени и обеспечивает сложные функции поиска и карты распространения для каждой полученной станции.

Практические эффекты

Средний человек может заметить влияние изменений в распространении радиоприемника несколькими способами.

В AM вещание драматические изменения ионосферы, которые происходят в течение ночи в Band Mediumwave, приводят к уникальной схеме лицензии на вещание в Соединенных Штатах, с совершенно разными уровнями выходной мощности передатчика и направленными антеннами , чтобы справиться с распространением Skywave ночью. Очень немногие станции могут работать без модификаций в темные часы, как правило, только на прозрачных каналах в Северной Америке . Многие станции не имеют никакого разрешения на бегать во время дневного часа.

Для вещания FM (и немногих оставшихся телевизионных станций с низким диапазоном ) погода является основной причиной изменений в распространении ВГЧ, а также некоторые суточные изменения, когда небо в основном без облачного покрова . Эти изменения наиболее очевидны во время температурных инверсий, например, в ночные и ранние утренние часы, когда это ясно, что позволяет земле и воздуху рядом с ним быстрее остыть. Это не только вызывает росу , мороз или туман , но также вызывает небольшое «сопротивление» на нижней части радиоволн, изгиба сигналов, так что они могут следовать за кривизой Земли над нормальным радио Horizon. Результатом, как правило, является несколько станций, которые слышат от другого рынка медиа , обычно соседние, но иногда из нескольких сотен километров (миль). Ледяные бури также являются результатом инверсий, но они обычно вызывают более рассеянное распространение вспоминания, что приводит к тому, что вмешательство часто, часто среди радиостанций погоды . В конце весны и в начале лета комбинация других атмосферных факторов может иногда вызвать пропуски, которые проталкивают высокие сигналы в местах в размере более 1000 км (600 миль) на расстоянии.

Также затронуты сигналы, не затрагивающие. Сигналы мобильного телефона находятся в группе UHF, в диапазоне от 700 до более чем 2600 МГц, что делает их еще более склонными к изменениям распространения, вызванных погодой. В городских (и в некоторой степени в пригородных ) районах с высокой плотностью популяции это частично компенсируется использованием более мелких ячеек, которые используют более низкую эффективную излучающую мощность и наклон пучка для уменьшения помех и, следовательно, увеличивают повторное использование частоты и емкость пользователя. Однако, поскольку это не было бы очень экономически эффективным в более сельских районах, эти клетки больше и, следовательно, с большей вероятностью вызовут помехи на более длительные расстояния, когда позволяют условия распространения.

Хотя это, как правило, прозрачно для пользователя благодаря тому, как сотовые сети клеток к клеткам обрабатывают передачу , когда трансграничные участвуют сигналы, могут возникнуть неожиданные сборы за международное роуминг , несмотря на то, что они вообще не покинули страну. Это часто происходит между южным Сан -Диего и северной Тихуаной в западной части границы США/Мексики , а также между восточным Детройтом и Западным Виндзором вдоль границы США/Канады . Поскольку сигналы могут проходить беспрепятственно над водоемом, намного больше, чем река Детройт , а температура прохладной воды также также вызывает инверсию в поверхностном воздухе, это «бахромовое роуминг» иногда происходит через Великие озера , и между островами на Карибском бассейне . Сигналы могут пропустить из Доминиканской Республики до горы в Пуэрто -Рико и наоборот, или между США и Британскими Виргинскими островами , среди прочего. В то время как непреднамеренное трансграничное роуминг часто автоматически удаляется счетными системами мобильных телефонов , международным роумингом, как правило, нет.

Эмпирические модели

Модель распространения радио , также известная как модель распространения радиоволнов или модель распространения радиочастотных , представляет собой эмпирическую математическую формулировку для характеристики распространения радиоволнов как функции частоты , . расстояния и других условий Обычная модель обычно разработана для прогнозирования поведения распространения для всех подобных звеньев в соответствии с аналогичными ограничениями. Созданный с целью формализации того, как радиоволны распространяются из одного места в другое, такие модели обычно предсказывают потерю пути вдоль связи или эффективную область покрытия передатчика .

Изобретатель радиосвязи, Гульилмо Маркони , до 1900 года сформулировал первое сырое эмпирическое правило распространения радио: максимальное расстояние передачи варьировалось как квадрат высоты антенны.

Поскольку потеря пути, встречающаяся вдоль любой радиоинсиагии сигналов по разным регионам.

Поскольку каждая отдельная телекоммуникационная связь должна столкнуться с различной местностью, путем, препятствиями, атмосферными условиями и другими явлениями, неразрешимо сформулировать точную потерю для всех телекоммуникационных систем в одном математическом уравнении. В результате существуют разные модели для разных типов радиосвязи в разных условиях. Модели полагаются на вычисление средней потери пути для связи при определенной вероятности того, что рассматриваемые условия будут происходить.

Модели распространения радио являются эмпирическими по своему характеру, что означает, что они разработаны на основе больших коллекций данных, собранных для конкретного сценария. Для любой модели сбор данных должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить достаточную вероятность (или достаточную область) для всех видов ситуаций, которые могут произойти в этом конкретном сценарии. Как и все эмпирические модели, модели распространения радиопередачи не указывают на точное поведение ссылки, скорее, они предсказывают наиболее вероятное поведение, которое ссылка может проявлять в указанных условиях.

Разные модели были разработаны для удовлетворения потребностей реализации поведения распространения в разных условиях. Типы моделей для распространения радиостанции включают:

Модели ослабления свободного пространства

• Потеря путей свободного пространства
• Сила дипольного поля в свободном пространстве
• Уравнение передачи Friis

Модели ослабления на открытом воздухе

• Модели местности
  • Это модель местности
  • Он модели
  • Нерегулярная модель Longley -Rice (ITM)
  • Модель двухлушки заземления
• Городские модели
  • Окумура модель
  • Даже модель
  • Стоимость модели Хата

Модели для затухания в помещении

• Модель ITU для затухания в помещении
• Модель потери траектории логарифмика

Смотрите также

Основная статья: Индекс статей по распространению радио

• Аномальное распространение
• Канал модель
• Расчет ослабления радиоволновой атмосферы в атмосфере
• Критическая частота
• Схема разнообразия
• Земля выпуклость
• Земля-ионосфера волновой
• Эффективный радиус Земли
• Электромагнитное излучение
• F2 распространение
• Исчезающий
• Свободное пространство
• Френельная зона
• Инверсия (метеорология)
• Кеннелли -Геавизид слой
• Бюджет ссылки
• Модель мобильности
• Накагами исчезает
• Близкое и дальнее поле
• График распространения
• Радио атмосфера
• Радиочастота
• Радио Horizon
• Управление радиоуправлением
• Трассировка лучей (физика)
• Рэйли исчезает
• Schumann Reonance
• Пропустить (радио)
• Зона пропуска
• Скайв
• Модель генерации трафика
• Тропосферное распространение
• Телевидение и FM DX
• Upfade
• Вертикальный и горизонтальный (Радиопроизводство)
• VOACAP - бесплатное профессиональное программное обеспечение для прогнозирования распространения HF

Дальнейшее чтение

• Boithais, Lucien (1987). Радиоволновое распространение . Нью-Йорк, Нью-Йорк: McGraw-Hill Book Company. ISBN  0-07-006433-4 .
• Rawer, Karl (1993). Распространение волны в ионосфере . Dordrecht, NL: Kluwer Acad. Издательство ISBN  0-7923-0775-5 .
• Покок, Эмиль (2010). «Распространение радиосигналов». В Сильвер, Х. Уорд и Уилсон, Марк Дж. (Ред.). Справочник ARRL по радиосвязи (88 -е изд.). Ньюингтон, Коннектикут: Американская радиоэтлужная лига. Глава 19. ISBN  978-0-87259-095-3 .
• Blanarovich, Yuri (VE3BMV, K3BU) (июнь 1980 г.). «Распространение электромагнитных волн путем проводимости» . CQ Magazine . п. 44 {{cite magazine}}: CS1 Maint: несколько имен: списки авторов ( ссылка ) CS1 Maint: NUREGIC Имена: Список авторов ( ссылка )
• Гасеми, Адболла; Абеди, Али; и Ghasemi, Farshid (2016). Профессиональная инженерия в беспроводной связи (2 -е изд.). ISBN  978-3-319-32783-9 .

Внешние ссылки

• Виджет распространения солнечного виджета на основе данных NOAA. Также доступен как плагин WordPress.
• Страница распространения ARRL На странице Американской радио -ретрансляции по распространению радио.
• Служба прогнозирования радиоподобия HF и ионосферы - Австралия
• Центр действия космической погоды НАСА
• Инструменты распространения онлайн, солнечные данные HF и учебные пособия по распространению HF
• Распространение ионосферного ионосферного