curs RADIO

7/25/2019 curs RADIO

1/12

88

6. PROPAGAREA UNDELOR IONOSFERICE

6.1. Prezentarea ionosferei. Structura ionosferei reale

Prin ionosferse nelege acel domeniu ionizat al atmosferei care se aflla nlimi mai mari de 60 km fade suprafaa Pmntului.Fenomenul de ionizare const n eliberarea unuia sau (mai rar) a mai

multor electroni din ptura exterioar a atomului. Ca urmare, echilibrulelectric se stric i atomul capt una sau mai multe sarcini elementare,devenind ioni pozitivi.

Extragerea unui electron din ptura exterioar a atomului se face princonsum energetic, efectundu-se un lucru mecanic, numit lucru mecanic deionizare (W) sau lucru mecanic de ieire.

Metodele de ionizare cunoscute sunt fotoionizarea i ionizarea prin oc.Fotoionizarea se produce cnd cuanta de energie a radiaiei careacioneazasupra gazului h >W, iar ionizarea prin oc se face prin ciocnireaelectronului cu o particul, care posed o cantitate suficient de energiecinetic.

La suprafaa Pmntului sosesc numai acele raze ultraviolete a crorlungime de und depete 2900 . Razele ultraviolete, mai scurte, sunt nntregime absorbite n straturile superioare ale atmosferei. Puterea lor esteconsumat pentru ionizare, pentru disociere i pentru formarea stratului deozon. De asemenea, ionizarea atmosferei poate fi produs numai de acele

particule, cu masa egalcu masa electronului, a cror vitezdepete 2100km/s.

Principala sursde ionizare este soarele.Alte surse de ionizare sunt: stelele, meteoriii, razele cosmice i praful

cosmic.Atmosfera realnu este omogendin punct de vedere al compoziiei sale,

temperatura atmosferei nu este constant, iar ionizarea atmosferei nu sedatoreaz numai unei radiaii ultraviolete monocromatice, ci i unor radiaiidintr-o gamlargde frecvene i a unor fluxuri de particule elementare.

Informaiile obinute cu staiile ionosferice de sondaj vertical indicprezena a patru straturi ionizate distincte. Aceste straturi au primit denumireade stratul D, E ,F1 i F2, n ordinea nlimilor la care se gsesc.

Ziua se disting patru domenii: D (60-90 Km); E (100-140Km), F1 (180-240), F2 (230-400 Km). Noaptea straturile D i F1 dispar, iar concentraiaelectronica straturilor E i F2se micoreaz ntr-o oarecare msur. StratulF1apare numai n lunile de var, la amiaz.

Straturile D, E i F1 sunt straturi foarte stabile, adicvariaia concentraieielectronice i a nlimii la care apare maximul de ionizare, se repetde la o zi

la alta. n stratul F2apar foarte des perturbaii ionosferice.6.2. Propagarea undelor ionosferice


2/12

89

6.2.1. Propagarea undelor foarte lungi i lungi

Se numesc unde foarte lungi (UFL), undele care au lungimea de undmaimare de 104 m, adicfrecvena mai micde 30 KHz.

Se numesc unde lungi (UL), undele care au lungimea de undcuprinsngama 10310 m, adicfrecvena n gama 30 300 KHz.Undele din aceste game se propagsub forme de unde spaiale, ca urmare

a reflexiilor succesive care au loc ntre suprafaa Pmntului i limitainferioara stratului D n timpul zilei i a stratului E noaptea. UFL i UL se

propag ntr-un ghid de und sferic, un perete al acestuia fiind format dinsuprafaa Pmntului, iar cellalt, din limita inferioar a ionosferei. Ca i nghidurile de und metalice, undele reflectate de ionosfer i suprafaaPmntului interfereaz i formeaz cmpul electromagnetic al undelordirijate de ghidul de und

dat.

Formele de propagare ionosferic a undelor lungi i foarte lungi pot fistudiate prin rezolvarea problemei propagrii undelor ntr-un ghid de undsferic la care, suprafaa interioar se comport ca un conductor, iar ceasuperioar, ca un semiconductor. Problema poate fi rezolvatprin acceptareaa dou ipoteze simplificatoare, i anume: suprafeele ghidului sunt perfectconductoare i fluxul de putere a undelor poate fi considerat independent dealtitudine la o distandestul de suficient de mare de anten.

Dac se noteaz cu P puterea radiat de o anten nedirect, situat npunctul A (fig.6.1) atunci n punctul B modulul vectorului densitate flux deputere, este dat de relaia

=

2m

W,

A

DPS (6.1)

unde: D este coeficientul de directivitate al antenei;A este aria suprafeei pe care se distribuie puterea undelor i

reprezint aria lateral a conului de rotaie, cu axa OA i generatoarea OC,cuprinsntre sferele cu razele a i a + h.

Fig. 6. 1 Determinarea fluxului de putere


3/12

90

Deoarece h


4/12

91

intensitii cmpului electric de recepie, nu apar ntreruperi neateptate alecomunicaiilor radio etc.

Pentru calculul intensitii cmpului electric se utilizeaz i formula luiAustin, stabilitpe baza generalizrii rezultatelor obinuite prin msurrii.

= m

mVesinr

DPE r,

ef,60

00140

300 (6.8)

unde: P este exprimat n KW, iar r i n Km. n cazurile n care secunoate nlimea efectiva antenei, calculele se fac cu relaia:

=

m

mVe

sinr

IhE

r,

efef

ef,60

00140120

, (6.9)

n care hef i de la numitor sunt exprimate n m, Ief n A, iar de laexponent i r sunt exprimate n Km.

Relaiile (6.8) i (6.9) permit determinarea intensitii cmpului electric lapropagarea undelor deasupra mrii n timpul zilei, dar pot fi i folosite i ncazurile propagrii undelor deasupra uscatului, ncepnd nsde la distanelede 2000-3000 Km.

n toate cazurile, relaiile pot fi folosite pn la distane ce nu depesc1600018000 Km.

6.2.2. Propagarea undelor medii

Se numesc unde medii (UM) undele avnd lungimea de und cuprins

ntre 1001000 m, iar frecvena n gama 300 KHz i 3 MHz.Refexia undelor medii se produce la nivelul statului E, unde concentraiaelectronilor este mai mare.

Undele medii, pe timpul propagrii ionosferice, trec de dou ori prinstratul D ziua i reflectate de stratul E (fig.6.2). n ambele straturi are locabsorbia undelor radio. Absorbia undelor medii n straturile D i E n timpulzilei, este mult mai mare n stratul E n timpul nopii. Absorbia n timpul zileicrete pe msura micorrii lungimii de und.

Fig. 6.2 Propagarea undelor medii


5/12

92

Alt particularitate a UM este apariia fedingului. Dac punctul derecepie (B) se afl n zona de aciune a undei de suprafa , iar noaptea i aundei ionosferice 2, atunci n acest punct are loc interferena celor douunde.Variind concentraia electronica stratului E, se modificnlimea la care are

loc reflexia undelor i viteza de propagare a fazei undei, ceea ce duce la undefazaj ntre cele dou unde care interfereaz. Modificndu-se concentraiaelectronica stratului E, se modifici constanta de absorbie, ceea ce duce lamodificarea amplitudinii cmpului rezultant.

Fig.6.3. Fedingul n gama undelor medii

Dac variaiile concentraiei electronice sunt neateptate, necunoscutedinainte, atunci variaia intensitii cmpului electric n punctul de recepie, senumete feding.

Durata medie a fedingului n aceastgameste de ordinul secundelor i azecilor de secunde. Cnd staia de recepie este n afara zonei de aciune aundelor de suprafa, fedingul poate s apar n urma interferenei a douunde ionosferice (fig.6.3 b). Fedingul este un fenomen nedorit, care perturbcondiiile normale de recepie.

Efectele fedingului pot fi micorate sau nlturate prin metode pasive iactive.

Variaiile diurne ale intensitii cmpului electric n punctul de recepiesunt foarte importante n gama undelor medii. Noaptea, cmpul din punctul de

recepie este rezultatul interferenei dintre unda de suprafa i ceaionosferic.Calculul intensitii cmpului electric al undelor medii se poate face cu

ajutorul formulei empirice

,,1023326,041094,8

=

m

Ve

r

DPE

r

ef (6.10)

unde Pse exprimn KW, iar r i n Km.Relaia (6.10) poate fi utilizat pentru determinarea intensitii medii a

cmpului electric n timpul nopii. Se observcEefscade cu scderea lui .

Pentru determinarea intensitii cmpului electric s-au ntocmit i o seriede grafice i nomograme.


6/12

93

6.2.3. Propagarea undelor scurte

Se numesc unde scurte (US) undele a cror lungime de undeste cuprinsintre 10m i 100m, ceea ce corespunde unei game de frecvende la 3 la 30MHz. Ca i undele lungi i medii, undele scurte se propag att ca unde de

suprafa, ct i ca unde ionosferice.Din cauza absorbiei ridicate a undelor scurte de ctre sol, undele desuprafase propag, n cazul puterilor obinuite ale emitoarelor, la distanecare nu depesc cteva zeci de Km.

n cazul propagrii ca unde ionosferice, US pot fi folosite pentruradiocomunicaii la distane orict de mari. Aceasta se datoreaz faptului c,

propagndu-se prin ionosfer, undele scurte sufer o absorbie relativ mic,care se micoreazpe msura creterii frecvenei.

n condiii normale de propagare ionosferica US, fiecare dintre straturileionosferei ndeplinete o funcie bine determinat. Straturile D i E suntstraturi absorbante, iar F2este stratul reflectant (fig. 6.4).

Fig. 6.4 Propagarea undelor US

Absorbia US n cazul reflexiei n F2 este mult mai micdect absorbia

pe care o suferUS n cazul trecerii prin straturile D i E pe drumul dus intors. Gradul de absorbie al US este caracterizat de factorul de atenuare

,l)dlR

=

0

(exp (6.11)

unde: (l)- constanta de atenuare;R lungimea poriunii de traiectorie de-a lungul creia are loc absorbia.Dac se ine cont c n cazul US densitatea curenilor de deplasare este

mult mai mare dect a curenilor de conducie i de faptul c permitivitatea

mediului ionizat


7/12

94

ir1 i 2>>2, rezultL1,3510-7 ,

m

1;

f

N2

(6.12)

unde: reprezintnumrul de ciocniri pe secundntre electronii liberi imoleculele neutre;

pulsaia oscilaiilor;N concentraia electronic.

Relaia (6.12) arat c constanta de atenuare variaz invers proporionalcu ptratul frecvenei, precum i faptul cpentru o valoare data frecvenei,gradul de absorbie este determinat de produsul dintre concentraia electronici numrul de ciocniri.

Pentru stratul E, N=10-7, iar pentru F2, N=10.n consecin, constanta de atenuare a undelor scurte n stratul E este de

aproximativ 100 ori mai mare dect n stratul F2. n general se poate neglija

absorbia undelor n stratul F2n comparaie cu cea din stratul E.n condiii reale de propagare a US acestea sunt absorbite nu numai n

zona concentraiei electronice maxime a stratului E, unde este valabilrelaia(6.12), ci i n celelalte domenii ale ionosferei. n aceste domenii numrul deciocniri este comparabil cu pulsaia, deci n relaiile de calcul nu mai poatefi neglijat n raport cu , iar constanta de atenuare are altdependenfadefrecvena undelor.

La realizarea unei linii de radiocomunicaie pe unde scurte, trebuie sfiendeplinite simultan doucondiii:

frecvena undelor trebuie s fie mai mic dect valoarea maximdeterminat pentru lungimea liniei de radiocomunicaie dat i

pentru lungimea liniei de radiocomunicaie dati pentru gradul deionizare a stratului reflectat la momentul dat;

absorbia undelor nu trebuie sfie exclusiv de mare.Prima din aceste condiii aratc, o anumitlinie de radiocomunicaie, n

anotimpul i ora propus, se pot folosi undele a cror frecvennu depete oanumit valoare maxim. Aceast condiie limiteaz partea superioar agamei de frecvenfolosite.

Cealaltcondiie limiteazpartea inferioara gamei, deoarece, cu ct estemai mic frecvena folosit, cu ct este mai mare absorbia. Prima condiieeste foarte critic.

Dacaceastcondiie nu este ndeplinit, undele nu se vor mai reflecta destratul F2i, independent de puterea emitorului, nu vor ajunge n punctul derecepie. A doua condiie nu este critic. Se poate lucra cu putere mai mare icu antene mai directive.

Distana la care poate s ajung undele printr-o reflexie depinde defrecvena undelor i de unghiul de nlare sub care pleac undele de lasuprafa

a P

mntului (fig.6.5). Undele cu frecven

mai mare se reflect

la

nlime mai mare deci i distana la care ajung o sfie mai mare. Undele care


8/12

95

pleac sub un unghi de nlare mai mic se propag la o distanmai mare.Dac se aleg n mod corespunztor frecvena undelor i unghiul de nlare,atunci se poate realiza lungimea liniei de radiocomunicaie dorit.

Fig. 6.5 Distana la care se propagundele printr-o reflexie

Totul, ns, depinde de concentraia electronica stratului F2la momentulconsiderat. Undele din gama de la 10 la 100 m folosite pentruradiocomunicaii la distane mari, se mpart n trei subgame, i anume:

- undele de zi (10 25 m);- undele de noapte (35 100 m);

-

undele intermediare (25 100 m).

O astfel de mprire este ns convenional, iar limitele dintre acestesubgame depind foarte mult de anotimp, de faza perioadei activitii solare,

precum i de poziia geografica liniei de radiocomunicaie.n figura 6.6 se prezintposibilitile de propagare a modelelor din aceste

subgame.

Fig. 6.6 Traiectoriile posibile ale undelor scurte


9/12

96

Undele de zi ziua, undele de noapte noaptea i undele intermediare i ziuai noaptea au traiectoria notatcu 1. Undele de zi noaptea pot avea traiectoria2, adic aceste unde s-ar putea s fie reflectate datorit concentraieielectronice insuficient de mare.

Undele de noapte ziua pot urma traiectoria 3.n ceea ce privete propagarea undelor US, aceasta nu are condiiiconstante, aa cum are cea a undelor lungi i medii.

Aceasta se explicprin faptul cstratul F2nu are o structurconstantcai straturile D, E. i F. Caracterul variabil al structurii stratului F2influeneazn mod deosebit propagarea undelor scurte.

Variaia structurii ionosferei de la o zi la alta, de la o orla alta, precum ifaptul c stratul F2 este supus influenei perturbaiilor ionosferice, duc laapariia unor variaii mari ale nivelului semnalului.

Fig. 6.7 Fedingul de interferen

La recepionarea semnalelor n gama undelor scurte, fedingul se manifestprintr-o variaie dezordonat, aleatoare a nivelului semnalului. Amplitudineacmpului electric variaz n limite largi. Perioada fedingului (intervalul detimp ntre douminime sau maxime succesive) variaz de la cteva zeci desecunde, pn la zecimi de secund. n cazul US fedingul este rezultatulinterferenei mai multor unde ajunse n punctul de recepie n urma reflexieidin ionosfer. Se deosebesc doutipuri de feding:

prin interferen(fig. 6.7); prin polarizare.n fig 6.7 este reprezentat cazul n care n punctul B sosesc douunde pe

drumuri diferite. n cele trei domenii n care au loc reflexiile, concentraiaelectronic variaz aleator i n mod diferit, ceea ce duce la modificareanlimilor la care au loc reflexiile (deci modificarea traiectoriilor), a vitezeide propagare i a constantei de atenuare. Datorit acestora variaz faza iamplitudinea cmpurilor care interfereaz, deci variaz i amplitudineacmpului rezultat.

n figura 6.7 b s-a considerat c fedingul apare datorit interferenei npunctul B a undei obinuite (ordinare) cu cea obinuit(extraordinare) de la o

altraz.


10/12

97

Un asemenea tip de feding este mai pronunat, deoarece cele douunde sepropagcu viteze diferite i sunt absorbite n ionosfern mod diferit.

Unda obinuiti cea neobinuitapar datoritcomportrii ionosferei caun mediu anizotrop.

n fig.6.7 c s-a inut cont de faptul c, neomogenitile locale din ionosferduc la reflexii parial difuze, n locul reflexiei pure a undelor. Dup trecereaprin ionosferunda apare ca un fascicul de unde care conine o mulime deunde (raze) elementare.

n acest mod n punctul de recepie B, ajung mai multe unde elementare,care fac parte din diferite fascicule.

Pe lng fedingul de interferen apare i fenomenul de feding depolarizare, datoritschimbrii polarizrii undelor la trecerea prin ionosfer.

Aciunea celor doutipuri de fedinguri duce la un feding total (fig. 6.8).

Fig.6.8 Fedingul general (total)

Propagarea US se caracterizeaz printr-o particularitate nemaintlnit laalt tip de unde i anume, prezena aa numitei zone de tcere, prin care seinelege o zon inelar, care nconjoar emitorul i n care recepiasemnalului este imposibil(fig.6.9).

Fig. 6.9 Zona de tcere


11/12

98

Existena zonei de tcere la propagarea US este condiionatde faptul cundele de suprafa, suferind o absorbie puternic, nu ating limiteleexterioare ale zonei de trecere. Pe de alt parte, undele ionosferice ajungnumai n puncte situate n afara limitelor zonei de tcere datoritunghiului de

nlime mare.Absorbia relativ redus, suferitde undele radio n cazul propagrii lor ladistane mari, face posibilnconjurarea globului pmntesc de ctre acestea.n condiii favorabile se observ cazuri de propagare multipl a undelor n

jurul Pmntului ceea ce duce la fenomenul de ecou.Ecranul se poate datora att undei directe (1 n fig.6.10) ct i undei

inverse (2 n fig. 6.10). Att ecoul direct, ct i cel invers poate fi multiplu.

Fig. 6.10 Ecoul n gama undelor scurte

innd seama de faptul cpentru propagarea undelor n jurul Pmntuluila ecuator sunt necesare 0,13 s, rezult c diferena de timp ntre sosireasemnalelor care nconjoarde un numr diferit de ori globul Pmntesc, va fiun multiplu de 0,13 secunde.

Aceastntrziere relativ mare a semnalelor ecou este sesizatde urecheaomeneasc. Pentru ca saparecoul este necesar ca ionosfera sse gseascn acelai regim de ionizare pe toat traiectoria undelor. Aceast condiie

poate fi ndeplinit numai n zona de semiiluminare a Pmntului, care

reprezinto fie relativ ngusti care se mutpe suprafaa Pmntului odatcu rotirea acestuia.

6.2.4.Propagarea undelor metrice (unde ultrascurte)

Sunt undele cu lungimea de undcuprinsntre 1 m i 10 m, iar frecvenantre 30 MHz i 300 MHz.

n anii n care activitatea solareste maximundele metrice pot fi utilizatepentru legturi radio la distane foarte mari. Undele metrice se pot propaga ladistanmare i datoritfenomenului de dispersie n ionosfer.

Se remarcfaptul cundele metrice sunt singurele care se propagatt caunde ionosferice, troposferice, ct i ca unde de suprafa.


12/12

99

De asemenea, pot trece prin ionosfer, deci pot fi utilizate pentru legturicosmice.

6.2.5. Propagarea undelor foarte scurte (microunde)

Sub numele de unde foarte scurte se neleg undele: decimetrice,centimetrice i milimetrice. Pentru:-undele decimetrice:-10-1

curs RADIO

Documents

Transcript of curs RADIO