Otázka č. 14 Obecná charakteristika šíření vln v jednotlivých pásmech Dlouhé a velmi dlouhé vlny Velmi dlouhé vlny (VDV, VLF, B.Mam, myriametrické) kmitočtový rozsah: 10 30 khz délka vlny: 30 000 10 000 metrů využití službami: pevná, námořní pohyblivá, radionavigační pr.v. přízemní vlna Dlouhé vlny (DV, LF, B.km, kilometrické) dosah kmitočtový rozsah: 30 300 khz (rozhlasové 150 285 khz) délka vlny: 10 000 1 000 metrů (rozhlasové 2000 1050 metrů) využití službami: pevná, námořní pohyblivá, radionavigační, rozhlasová, letecká navigace, námořní navigace Na přenosu signálu od vysílače k přijímači se podílí jak vlna přízemní, tak i vlna prostorová. Na vzdálenost několika set km se šíří jako vlna přízemní, značně tlumena zemí. Pro šíření na kratší vzdálenosti se zemský povrch pro dv jeví jako rovný vlny se podle něj ohýbají. Prostorová vlna je absorbována D (ve dne) nebo vrstvou E (v noci). Na delší vzdálenosti se mohou dv šířit několikanásobným odrazem mezi zemí a vrstvou D (ve dne) nebo mezi zemí a vrstvou E (v noci). Přízemní vlna má dosah 1500 až 2000 km. Dosah ovlivňuje hlavně členitost terénu (hory, výšková zástavba apod.) Prostorová vlna je během dne tlumena vlivem pohlcování v ionosféře. V noci má však ve vzdálenosti několika stovek km od vysílače zpravidla větší intenzitu než vlna přízemní a obě složky způsobují velmi nepříjemné krátkodobé (od několika sekund) a dlouhodobé (minuty až desítky minut) úniky. Na přelomu dne a noci dochází k postupnému ustálení tohoto jevu. To se v praxi projevuje značným zvýšením intenzity příjmu. Dlouhé a velmi dlouhé vlny se šíří lépe nad hladinou než nad pevninou dosah je tedy v porovnání s dosahem nad pevninou větší. Pásmo dlouhých a velmi dlouhých vln se stále používá k trvalému příjmu a vysílání na velké vzdálenosti a k pokrytí rozsáhlých území rádiovým signálem. Přenos je rovnoměrný bez větších výkyvů, avšak značně rušen atmosférickými vlivy a průmyslovými frekvencemi. To se projevuje suchým praskáním různé intenzity (vzdálené bouřky, statická elektřina). V daleko menší míře se uplatňuje rušení motorovými vozidly. Dosah dlouhovlnných spojů závisí tedy především na výkonu vysílače. Proto se od vysílání rozhlasu na tomto pásmu upouští. Střední vlny Střední vlny (SV, MF, B.hm, hektometrické) kmitočtový rozsah: 300 3 000 khz (rozhlasové 525 1605 khz) délka vlny: 1000 100 metrů (rozhlasové 572 185 metrů) 1
využití službami: námořní radionavigační, letecká radionavigační, námořní pohyblivá, rozhlas, amatérská, pevná, pohyblivá Pásmo středních vln je nejužívanější u příjmu rozhlasu pomocí amplitudové modulace. Povrchová vlna má sice menší dosah, zato se zde však večer a v noci uplatňuje vlna prostorová. Během dne je prostorová vlna dost silně tlumena, ale v nočních hodinách je odražená prostorová vlna hlavním nositelem signálu (např. rozhlasových pořadů). Příjem je však na druhé straně silně rušen praskotem vlivem atmosférické elektřiny. Ve dne je rušení podstatně slabší, ale i příjem se většinou omezuje na místní silné vysílače. Při přechodu ze dne na noc a opačně dochází k velmi pronikavým změnám v příjmu v pásmu středních vln. Dochází ke vzájemnému sčítání a odečítání povrchové i prostorové vlny. To má za následek vznik úniků, při kterých intenzita příjmu může kolísat v rozsahu až 60 db. Středovlnné pásmo je sice méně citlivé k atmosférickým poruchám, a k rušení průmyslovými zdroji, avšak přijatelný příjem vzdálených stanic je umožněn pouze dobrou anténou. Protože ionizovaná je dosti nesourodá, odrážejí se vlny v různých výškách, a tím se zároveň mění i dráha odražené prostorové vlny. Tam, kde se odražená prostorová vlna setkává s vlnou přízemní, dochází podle jejich fází k jejich součtu nebo rozdílu. Příjem se tedy střídavě zesiluje a zaniká, hlavně za svítání a navečer, kdy se jednak mění pohltivost vrstvy D, jednak ionizace vrstvy E. Značný vliv mají i roční období, zejména zima. Tento únik nastává při příjmu vzdálenějších stanic. A Příčiny úniku: p pr.v. o 1 o 2 příz. vlna dosah max. 450 km o B 1. Bod příjmu B leží v zóně působení přízemní vlny p. Po západu slunce dosáhne bod B i paprsek odražené prostorové vlny o. Obě vlny v bodě B interferují. Velikost intenzity výsledné vlny závisí na jejich vzájemném fázovém posuvu. 2. Interferencí odražených prostorových vln, lišících se počtem odrazů. Středovlnné pásmo je v praxi hustě obsazeno. Šíří se povrchovou vlnou - lze navázat spojení s malým dosahem (ve dne asi do 450 km, což je méně než dv) a prostorovou vlnou, snadno prostupují vrstvou D, vrstva E je tlumí. Například vlny v rozsahu 160 m (1,875 MHz) jsou během dne téměř nepoužitelné, přízemní vlny je silně tlumena zemí, prostorová vlna vrstvou E. Útlum v E se v noci zmenší a odrazy prostorové vlny se můžeme dostat na velké vzdálenosti. o 2 A o 1 o 1 B 2
Krátké vlny V pásmu krátkých vln dosahuje přízemní vlna (silně tlumena zemí) pouze vzdálenosti asi třiceti kilometrů (na kmitočtu 25 MHz); naproti tomu prostorová vlna víckrát odražená neztrácí na své intenzitě a je vhodná především pro příjem vzdálených stanic. Vzhledem k denním proměnám v ionosféře je však pro příjem vysílače z daného směru vhodná pouze určitá denní, popř. noční doba. vrstva F o 1 o 2 příz. vlna V prostoru za dosahem přízemní vlny, ale ještě před dopadem odražené prostorové vlny, vzniká tzv. pásmo přeslechu. Je obvykle tak rozlehlé; že u nás jsou slyšitelné vesměs krátkovlnné zahraniční vysílače. Pásmo přeslechu má různou šířku podle toho, na jaké vlnové délce vysílač v poměrně širokém krátkovlnném pásmu vysílá. Při přechodu mobilního přijímače do tohoto pásma nebo pásma nízké intenzity může poslech signálu zcela zmizet. Krátké vlny jsou při respektování stavu ionosféry tedy vhodné pro dálková spojení. Zvláštní zřetel je dále zapotřebí věnovat zvýšené sluneční činnosti, která podstatně ovlivňuje příjem na krátkých vlnách, což je mimořádně důležité například pro amatérská spojení. Jak bylo řečeno, krátké vlny jsou výjimečné nikoli délkou vlny, ale způsobem šíření a dosahem. Vlny směřující od Země se totiž částečně lomí a odrážejí od ionosféry a vracejí se zpět k zemskému povrchu. Je tak možné přenášet signál na velkou vzdálenost. Nevýhodou tohoto způsobu šíření je, že vlastnosti ionosféry, a tím i použitelná frekvence a kvalita signálu, se v průběhu roku, v několikaletých cyklech sluneční aktivity i během dne neustále mění. Podstatná je tedy vlna prostorová, jejímiž odrazy od ionosféry se může dosáhnout spojení na velké vzdálenosti. Po dopadu na ionosféru rozkmitá vlna její volné elektrony, které jsou zdrojem nové odražené vlny. Část elektronů se ovšem srazí s neutrálními u molekulami a předá jim část energie. Vlna je tím o 2 zeslabována, je zde patrny její útlum. Čím je frekvence vlny vyšší, tím snadněji projde ionosférou a méně se ohýbá, u různých frekvencí by tedy pro snadnější odraz měla dopadat pod různým úhlem. Úhel dopadu na ionosféru respektive vyzařovací úhel antény je dán konstrukcí a nastavením antény. V závislosti na elevačním úhlu se může vlna šířit jako přízemní, s jedním o 1 o 1 p A B p vlna přízemní, o 1,o 2 vlny odražené, u vlna pronikající nebo více odrazy od ionosféry nebo může ionosférou pronikat do kosmického prostoru. kombinací skoků odrazů od různých vrstev ionosféry může vlna oběhnout celou Zemi a 3
vrátit se do stejného místa. Navrácená vlna může mít takovou intenzitu, že vzniká ozvěna, tj. citelné zhoršení přijímaných signálů (časový rozdíl je větší než desetina vteřiny). I na krátkých vlnách může dojít k úniku s mechanismem stejným jako u středních vln, tzn. interferencí vlny přízemní a prostorové. Ionosféra není hladkou plochou, jsou na ní různé nerovnosti. Místo odrazu se dá hovořit spíše o rozptylu vln, kdy se jediný paprsek může rozštěpit na řadu paprsku odražených. Signály se mohou do stejného místa dostat buď tzv. dlouhou cestou (long path- LP) nebo krátkou cestou (short path - SP). Při dlouhé cestě přicházejí signály při dálkovém spojení daleko silněji a z opačné strany, než bychom předpokládali. Signály se v tomto případě lépe šíří kolem zeměkoule. Se směry LP a SP je nutno počítat zejména při použití směrových antén. Při dálkovém spojení se většinou udává způsob směrování antén. LP LP SP Velmi krátké vlny V pásmech velmi krátkých vln se za normálních okolností vliv ionizace horních vrstev atmosféry neuplatní a prostorová vlna uniká do kosmu. Pouze při výjimečně intenzívní sluneční činnosti může za určitých okolností vrstva F 2 odrážet nižší kmitočty pásma velmi krátkých vln. Někdy nastanou v letních měsících mimořádně příznivé podmínky, které umožňují dálkový příjem na velmi krátkých vlnách, a to odrazem od vrstvy E nebo F 2. Takový dálkový příjem netrvá ovšem dlouho, zpravidla méně než 1 hodinu. Mimořádné podmínky nastávají za zvýšené sluneční činnosti dané jedenáctiletým a stodesetiletým pravidelným obdobím. horní hranice vrstvy F 2 vrstva F o 1 o 2 příz. vlna 4
Pro příjem elektromagnetického vlnění v pásmech velmi krátkých vln se využívá povrchové přímé vlny (šířící se obdobně jako světlo). Tam, kde je tedy z místa příjmu přímo vidět vysílač, bývá zaručen i jakostní příjem. Proto je třeba, aby anténa vysílače byla umístěna co nejvýše, aby tak byla zajištěna viditelnost z mnoha míst. Přímá vlna se v terénu odráží od každé větší překážky, zejména od vodivých předmětů. Pro odraz je rozhodující velikost překážky vzhledem k vlnové délce; jsou-li rozměry překážky malé, vznikne v nejnepříznivějším případě pouze ohyb a vlna se neodrazí. Tak vznikají za překážkou odstíněná místa (stín), kde je příjem značně zhoršený. Vliv překážek je velmi patrný při televizním příjmu, méně při rozhlasovém. Přesto však překážky způsobují, že mnohdy i v blízkosti vysílače je příjem velmi špatný (např. za souvisle probíhajícími pahorky apod.). Značný vliv mají překážky na stereofonní příjem, kdy vlivem odrazů dochází k fázovým posuvům, a tak zhoršenému rozlišení obou kanálů. Dosah vysílače v pásmu velmi krátkých vln tedy závisí na jeho výkonu a na výšce antény nad terénem, a činí nejvýše 200 km. Tato hranice ovšem neplatí pro systémy s družicemi. Vlivem nehomogenity prostředí atmosféry se při šíření vlna postupně ohýbá a láme a vzdaluje se od povrchu pomaleji, než by vytýčila přímka přímé viditelnosti. Dochází k tzv. atmosférickému lomu. Rádiové vlny jsou vlivem atmosférického lomu schopny ohýbat se kolem vypouklých předmětů, tedy i zemského povrchu. Tak můžeme dosáhnout přijímačů až za hranici přímé viditelnosti. Takto se šířící vlna je zemí silně tlumena a intenzita pole se vzdálenosti značně klesá. Může dojít ale i k opačnému případu viz obrázek. Útlum šířených velmi krátkých vln můžeme eliminovat různými způsoby: A. Metody deterministické, které lze využít kdykoli, nezávisle na čase a vnějších měněných okolnostech. 1. Zvětšení výkonu vyzářeného anténou až do určité meze, nad niž již zvyšování není efektivní. Závislost dosahu na vysílaném výkonů není lineární. 2. Větší výška antény nad povrchem okolí, zde kromě použití stožárů patří i využití terénních vyvýšenin, výškových budov apod. Tato možnost má omezení technická, ale i organizační (smlouvy s vlastníky budov, odpor ochránců přírody apod.) 3. Využití odrazné plochy (úhel odrazu se rovná úhlu dopadu). To je možno pouze u směrových spojů a u fixních stanic v určitých směrech. 4. Použití převáděče (většinou nepřetržitý provoz); mezi jednotlivými převáděči musí být přímá viditelnost. Převáděče se používají pro retranslaci signálu i pro pokrytí míst z antény vlivem terénních nerovností nedostupných. Převáděč obsahuje přinejmenším přijímač, vysílač, ovládací jednotky, generátor volacího znaku, zdroj anténní systém. 5
Převáděče mohou mít poměrně malé vysílací výkony. Antény mají zásadně vertikální polarizaci. Převáděče vysílají na jim určených pevných kanálech, na kmitočtech s roztečí 25 khz FM, nebo 12,5 khz. Vstupní frekvence do přijímače je např. v pásmu 2 m o 600 khz nižší než výstupní frekvence vysílače převáděče. Při příjmu signálu modulovaného tónem 1750 Hz zapíná ovládací jednotka vysílač. Ten je dále udržován v provozu nosnou frekvencí korespondujících stanic. Pakliže na vstupu tento signál po nastavenou dobu není, vypíná ovládací jednotka vysílač. Vysílač v provozu vysílá v intervalu 1 minuty svůj znak. 5. Stacionární družice jako převáděče. B. Metody s omezenou dobou a podmínkami využitelností a stochastické metody. 1. Umělé družice na eliptických drahách a odrazy od družic. 2. Využití odrazu a lomu v inverzních vrstvách troposféry 3. Odraz od polární záře. 4. Odraz od sporadické vrstvy E s. 5. Rozptyl na ionizovaných stopách meteorů 6. Odraz od povrchu Měsíce a Slunce. Výhody pásma vkv 1. Odrážejí se méně od ionosféry, lépe pronikají prostorem. 2. Vlny se dobře odrážejí od vodivých předmětů (výhoda pro radiolokační techniku). 3. Šíří se přímočaře a málo se ohýbají kolem země (výhoda opět pro radiolokace) 4. Dá se na něm dosáhnout značné směrovosti antén (rozměry antén mohou být tedy menší). 5. Nepatrné poruchy způsobené průmyslovou sítí. 6. V pásmu se dají konstruovat generátory výhodné jak co do účinnosti, tak rozměrově (magnetrony). Ovlivnění šířených vln jednotlivých pásem ionosférickými vrstvami: D E F 1 F 2 dv odráží vlny ve dne odráží vlny v noci do vrstvy do vrstvy sv vrstvou snadno proniká vlny silně tlumí do vrstvy do vrstvy kv vrstvou snadno proniká proniká odráží ve dne odraz v noci vkv vrstvou snadno proniká vrstvou snadno proniká proniká průnik nebo odraz 6