Otázka č.11: Faktory působící na šíření radiových vln, atmosférická absorpce, absorpce povrchové vrstvy, atmosférický lom

Transkript

1 Otázka č.11 Faktory působící na šíření radiových vln, atmosférická absorpce, absorpce povrchové vrstvy, atmosférický lom Faktory působící na šíření radiových vln Šíření radiových vln je ovlivňováno tolika různými faktory, že je nezasvěcenými, ale často i elektrotechniky považováno za něco nedeterminovaného, ba až za duchařinu. V základních vztazích pro výpočty šíření vln nejsou respektovány různé nepravidelnosti šíření, vycházející např. z blízkosti povrchu země k dráze šíření, nestejnorodosti ovzduší apod. Tyto se pochopitelně při reálných výpočtech zohledňují. Nejvýrazněji působí na šíření vln tyto faktory: - úbytek intenzity signálu se vzdálenosti vlivem ředění přenášené energie - útlum na mikroskopických nečistotách vzduchu - zakřivení země - interference stejného signálu vlivem jeho vícecestného šíření (odrazy od země, od ionosféry) - přímá viditelnost mezi anténami (u vysokých frekvencí radiového spektra) - meterologické podmínky (vlhkost, inverze apod.) - magnetické pole země - stav ionosféry - denní a noční doba - interference signálů z různých zdrojů Uplatnění těchto faktorů závisí především na vlnové délce šířící se vlny. Jevy vznikající v důsledku těchto faktorů Na tomto místě nás může napadnout otázka, proč se zabývat náhodnými jevy při návrhu profesionálních spojů, které by měly spolehlivě fungovat za každé situace, bez ohledu na náhodné jevy. Tyto jevy ale mnohdy zasahují do kvality spojů a profesionál by si měl umět vysvětlit důvody změn kvality spoje. Zvláště se to týká dálkových spojů. Dálkový příjem je v praxi velmi často zatížený značným vlivem počasí, a proto bývá velice nestabilní. Někdy dochází k výpadkům takového příjmu i na několik dnů, někdy i týdnů. Naopak, často se stává, že dálkový příjem lze realizovat jen na velmi krátkou dobu, po které následně vymizí a objeví se opět až po delším čase. V takových případech se většinou jedná o dálkový příjem umožněný inverzním počasím nebo odrazem od horních vrstev atmosféry. Tyto druhy dálkového příjmu bývají velmi ojedinělé a umožňují příjem na rekordní vzdálenosti až přes 1000 km. Takovéto extrémní příjmové podmínky bývají především v zimním období příčinou rušení místních vysílačů, často i vzdáleným vysíláním z území cizích států. Dálkový příjem se pak stává naprosto nežádoucí a způsobuje neodstranitelná rušení. Atmosférická absorpce Vlna slábne vlivem polarizace vzduchu. Dipóly se rozkmitají a začnou vyzařovat na jiné frekvenci. Na rozkmitání se ovšem spotřebuje část energie, což představuje ztráty. Další komplikaci pro šíření vln mohou představovat vodní páry nebo větší obsah kyslíku, které působí velmi silné pohlcování vln kolem 3 cm a kratších. Za tropických lijáků byl pozorován podstatný pokles síly signálu i na vzdálenost 15 km. 1

2 Pro radiolokaci představuje problém mylná záměna odrazu od deště za odraz od cíle (letounu). 1 Odraz od deště je složen z velkého množství odrazu od kapek, takže relativní hodnota odrazu proti odrazu od skutečného cíle závisí na šíři paprsku, kmitočtu a neméně i na délce impulsu. Protože oblast deště je pravidelně širší než paprsek, dává odraz o jisté zlomkové hodnotě energie; naopak letoun, který je menší než paprsek, do značné míry bude reagovat na zmenšení průměru paprsku zvětšením hodnoty ozvěny. Dešťová oblast, která je delší než dráha vlny urazená během jednoho impulsu působí tak, že energie je přijímána současně od všech kapek po délce vlnové dráhy impulsu. Cílové letadlo odráží energii jen z velmi krátké dráhy. Zkrátíme-li tedy délku impulsu, zvýšíme poměr signálu cíle k signálu rušícímu. Pokud se týče frekvenčních závislostí, je možno říci zhruba toto: Na frekvencích kolem 1200 MHz jenom největší tropické srážky dají zjistitelné ozvěny, v okolí 3 GHz nevadí slabší déšť, avšak asi 70 km široká oblast prudkého deště mezi anténou a cílem vyloučí příjem, a konečně kolem 9 GHz vadí i dosti slabý déšť. Mlžiny a mraky druhu cumulus ještě stále nevadí, avšak mlhy a mraky s přechlazenou vodou ve velkých kapkách dávají zjistitelné odrazy. Převedeno do praxe - standardní radar na frekvenci 3 GHz o pulsu 1 mikrovteřiny a šíři paprsku 1 bude pracovat s podstatně silnějším cílovým signálem potud, pokud je povaha srážky nebo bouřky nevýznamná v jejím působení například na bezpečnost letu. Absorpce povrchové vrstvy zemským povrchem Země je v podstatě vodivé těleso, jeho vodivost se projevuje různě pro různé frekvence. Povrchová vlna tedy indukuje v zemi proudy. Jimi způsobené ztráty jdou na vrub energie šířící se vlny. Zjednodušeně řečeno rostou tyto ztráty s rostoucí frekvencí. Frekvenční závislost ztrát souvisí se změnou chování zeminy s měnící se frekvenci. Kriteriem pro posouzení zda se jedná o dielektrikum nebo vodič je poměr amplitudy proudu vedeného proudu a posuvného proudu, potažmo poměrů parametrů prostředí g/we. Je-li g >> we (prakticky již od 100we) chová se materiál jako vodič g << we (prakticky již od 100g) chová se materiál jako dielektrikum V případě zeminy nastává případ g > 100we při frekvencích nižších než asi 10 5 Hz. Obě strany se rovnají asi při 10 7 Hz, při frekvencích vyšších než 10 9 Hz již můžeme považovat zeminu za obecně ztrátové dielektrikum, v němž se vedené indukované proudy uplatní jen málo. U mořské vody nastává případ g > 100we při frekvencích nižších než asi 10 8 Hz. U dobrých vodičů např. mědi nebo hliníku změnu charakteru v tomto smyslu neuvažujeme. Atmosférický lom refrakce, superrefrakce K lomu (refrakci) elmag. vln dochází při přechodu z jednoho do druhého prostředí. Směr vlny po lomu závisí na její fázové rychlosti v prvním (v 1 ) a druhém (v 2 ) prostředí, pro siny úhlů (a 1, a 2 ), které svírají směry šíření s kolmicí na rozhraní, platí zákon lomu (Snellův zákon) sin a 1 /sin a 2 = v 1 /v 2 = n r kde n r je relativní index lomu pro dané rozhraní a jeho hodnota závisí na směru přechodu. Absolutní index lomu je určen přechodem z volného prostoru do daného prostředí a pro rádiové kmitočty souvisí s permitivitou popř. s permeabilitou materiálu vztahem 1 Larsen,R.,M.: Mikrovlny srdce radaru 2

3 n = em Úplný (totální) odraz nastává, když sin a 1 > n r ; může nastat jen když vlna směřuje z prostředí hustšího do prostředí řidšího. V technice šíření rádiových vln může nastat případ, kdy vlna dopadající na rovinný povrch se neodráží, ale lomí se do druhého prostředí pod úhlem Brewsterovým. Jak už jsme viděli na předcházejícím, jsou mikrovlny velmi citlivé i na složení prostoru, ve kterém se šiří. Normální ovzduší vykazuje mnoho nepravidelností jak ve vlhkosti, tak v hustotě, dáno teplotou a obsahem plynů v různých poměrech. Radiové vlny se lomí průchodem těmito vrstvami, které mohou být seskupeny buď směrem do výše, nebo i regionálně ve stejné výši nad jednotlivými místy; příkladem regionálních vrstev je různost hustoty a vlhkosti vzduchu nad zemí a nad rybníky. Rozdíly jsou opět mnohem nápadnější na mořích než v suchém vnitrozemí. Jindy se energie rozptýlí a odrazí v dosti značné míře z celkové energie na zvlášť odlišné vzduchové vrstvě, která je ve větší výšce nad zemským povrchem a může být proto často částečně ionisována. Tento druh lomu nastává při výšce antény, která je velmi přibližně rovna výšce takové vrstvy nad zemí. Setkáme se s ním proto téměř výhradně u leteckých přístrojů. Na rozdíl od předešlého druhu, který je výraznější při vyšších frekvencích, tento lom má svoje frekvenční optima ve velmi širokém spektru vlnových délek. V každém případě nacházíme řadu shodných vlastností; rychlost radiových vln je o něco větší v řidším nebo suchém vzduchu, než v hustším a vlhkém. Paprsek bude tedy ohýbán směrem k hustší a vlhčí vrstvě. Hodnota tohoto ohybu nebývá pravidelně větší než jeden až tři stupně. Krátce - různá dielektrická konstanta vzdušných vrstev působí postupný lom a zakřivování elektromagnetického paprsku i za geometricko-optický obzor. Tak zvaný elektromagnetický obzor je za obvyklých atmosférických podmínek posunut asi o 0,15 dále; nebo vyjádřeno poněkud jinak, paprsek je ohýbán za standardních podmínek tak, že poloměr zakřivení je asi 1/5 zemského poloměru. Až do nedávná byly některé abnormální zjevy v dosahu mikrovlnné radiolokace přičítány tak zvané superrefrakci. K superrefrakci dochází v případě, kdy se za určitých podmínek stává jedna vrstva atmosféry stěnou vlnovodu a země druhou stěnou vlnovodu. Proto je možno naladit (zvláště v noci) velmi vzdálené rozhlasové stanice. Tento jev je významný i v radiolokaci. Tak např. roku 1944 bylo v letních měsících viditelné francouzské pobřeží u Cherborougu na obrazovkách anglických radarů, zatím co vzdáleností, výškou a hmotou velmi podobný Brestský poloostrov nebyl viditelný. Pravděpodobně nejnápadnější byl případ, kdy radar na západním pobřeží Indie zaměřil pobřežní linii Arabie, a to na vzdálenost přes 2000 km. 2 V těchto případech se předpokládalo, že ohyb za určitých příznivých podmínek může být tak silný, že působí tyto abnormality - že sleduje poloměr zakřivení, oblý povrch zemský. Proč však se s tímto zjevem superrefrakce setkáváme jen u mikrovln? V poslední době byla na základě této nesrovnalosti hledána a také nalezena správná teorie. Atmosférické vlnovody V předminulém odstavci popsané jevy mají spojitost se vznikem vlnovodů v atmosféře. Je-li dán průměr dutinového nebo dielektrického vlnovodu, pak existuje jistá největší vlnová délka, kterou tento vlnovod ještě propustí; pro účely atmosférických 2 Larsen,R.,M.: Mikrovlny srdce radaru 3

4 vlnovodů, které jsou dielektrické; předpokládáme, že přenášejí vlnové délky až do λ = dvojnásobku výšky takového vlnovodu. Proto tedy se neshledáme s takovými zvláštnostmi, jako u krátkých nebo dokonce středních vln. Výška atmosférického vlnovodu se pohybuje mezi 3 a 10 m, vzácně i 15 m - atmosférický vlnovod je tvořen alespoň, dvěma vrstvami vzduchu, jež spolu těsně sousedí, ale mají různou dielektrickou soustavu. Rozdíly atmosférických podmínek musí být tedy markantní; ty mohou být trvalejšího rázu jen při povrchu země, jež se někdy svou teplotou značně liší od teploty vzduchu. Dochází k tomu nejčastěji v tropech za klidného počasí nebo na oceánech, kde se ráno vzduch ve výši prudce zahřívá, kdežto voda je chladná; četná pozorování prokázala, že nad převážnou částí teplých moří existuje skoro stálý atmosférický vlnovod o výšce kolem 2 m. Bývá porušen jedině bouřemi nebo silnými větry. Nad pevninou, která se vyznačuje velkou členitostí, je podobný vlnovod dosti vzácný. Ultrakrátké vlny, vedené takovým vlnovodem, jsou mnohem méně tlumeny než obyčejně. Čím je vlnová délka menší proti výšce atmosférického vlnovodu tím je útlum menší. Je-li zachován signál stejné intensity, pak dosah mikrovln stoupá převratnou hodnotu uvedených konstant. Vznik stínů Difrakce Za terénní překážkou vznikají stíny, které znemožňují příjem signálů. Pod pojmem difrakce rozumíme ohýbání radiových vln kolem zakřivených těles na jejich okraji, tedy kolem přírodních či umělých překážek (stavby) a zemského povrchu. O Fresnelově difrakci již zde byla řeč. Tato schopnost je typická pro přenos energie vlněním a závisí a frekvenci vlny. Zatímco pro dlouhé vlny nepředstavuje malá nerovnost povrchu žádnou překážku, pro velmi krátké vlny může být stejná překážka horou. Pro ohyb obecně platí, že čím delší je délka šířené vlny, tím lepší je její ohyb nad překážkou. Na posledním obrázku je naznačeno vodivé těleso s ostrým hřbetem mezi dvěma zakřivenými plochami. Dopad elmag. vlny na tento hřbet vyvolá odraženou vlnu a ohnutou vlnu (paprsek eo a ed) dále vlnu, která se šíří podél zakřiveného povrchu ve stínu povrchovou vlnu (paprsek Sg a Sd). Tečny v bodě QE označené ES ohraničují oblasti mezi ohnutými a povrchovými paprsky. Rozhraní stínu mezi dopadajícím paprskem vyznačuje přímka SB a přímka RB vyznačuje rozhraní stínu odražených paprsků. 4

5 Schematický obraz celkové situace v okolí vodivého tělesa, na které dopadá vlnění z bodového zdroje ukazuje obrázku. Na ostré hraně dochází k rozptylu (difůzi) vln podobně jako na nerovné odrazové ploše. 5