Propagarea undelor radio - Limita de vizibilitate

Propagarea undelor radio

Modalitatea de transmitere prin aer a unui semnal radio depinde in special de lungimea de unda a semnalului. In figura 25 sunt infatisate benzile de frecventa ale spectrului electromagnetic in functie de aplicatie. Pentru transmisiunile radio comerciale se utilizeaza benzile de unde lungi si de unde medii, iar pentru transmisiunile de televiziune se folosesc benzile VHF si UHF. Intre aceste doua game de unda exista o banda de unde scurte (HF), intre 1 si 30 MHz. In desen sunt figurate si alte benzi care prezinta interes.

Fig. 25.

Trebuie mentionat ca interesul pentru banda uriasa cuprinsa intre undele milimetrice radar (100 GHz) si frecventele folosite la transmisia pe fibra optica, este scazut. Aceasta se datoreaza in principal lipsei de emitatori, de detectori si problemelor de transmisie.

Mecanismele de propagare implicate in transmisiile radio sunt a) unde directe; b) unde ionosferice; c) dispersia troposferica si d) limita de vizibilitate.

La frecvente joase sunt importante undele directe; la frecventele HF predomina undele ionosferice, iar, la frecvente mai inalte, limita de vizibilitate devine cel mai important mecanism de propagare.

La frecvente joase atmosfera dintre suprafata pamantului si ionosfera se comporta ca un ghid de unda ce permite energiei de joasa frecventa sa se propage in jurul suprafetei pamantului. Acest mecanism permite propagarea pe distante de mii de kilometri si este intens folosit in navigatia pe deistanta lunga.

Undele directe sunt progresiv atenuate la cresterea frecventei. Ele predomina in frecventele pentru transmisiuni comerciale de radio, dar, la capatul de sus al benzii MF, unda directa devine o unda de suprafata, care se atenueaza rapid daca suprafata prezinta conductivitate ridicata. Practic, conductivitatea suprafetei pamantului este afectata de varietatea mare a materialelor ce compun suprafata pamantului si de prezenta apei, ce contine saruri. Atat constanta dielectrica cat si conductivitatea suprafetei pamantului sunt puternic dependente de procentul de umiditate cat si de natura acestei umiditati. Efectul consta intr-o propagare mai buna peste mare decat peste uscat, iar adancimea de patrundere a undei radio in pamant este puternic dependenta de umiditatea solului, ele materialele ce il compun, si de prezenta apei sub suprafata pamantului. O tratare foarte buna a undelor directe poate fi gasita in bibliografie 1, cititorul fiind trimis la ea pentru informatii mai amanuntite.

Unde ionosferice

Undele ionosferice constituie principalul mod de propagare in banda de frecvente HF. Radiatiile provenite de pe pamant sunt trimise spre cer, reflectate sau refractate inapoi spre pamant, unde pot fi detectate. Mecanismul ce produce reflexia sau refractia este ionosfera. Ionosfera este formata din particule de gaz ionizate, generate la diferite altitudini de catre absorbtia radiatiei solare.

Straturile principale se numesc D, E, F₁ si F₂, stratul D avand altitudinea cea mai mica, de aproximativ 50 km, aceasta crescand pana la 300 km pentru stratul F₂. Din cauza ca aceste straturi sunt generate de activitatea solara, straturile inferioare exista numai in timpul zilei; noaptea, ionizarea, se disperseaza si nu exista electroni liberi. In structurile superioare ale atmosferei soarele actioneaza in toate cele 24 de ore. Gazele ionizate din toate straturile se comporta ca un mediu refractiv care, in functie de frecventa si de unghiul de incidenta al undei radio, va provoca reflexia sau refractia undei cu un unghi a carui valoare depinde de densitatea electronilor liberi si de frecventa undei. Din figura 26 observam ca exista o distanta masurata de-a lungul pamantului, numata zona de tacere; ea este distanta dintre emitator si prima pozitie in care unda este receptionata. Suprafata imediata de langa emitator va fi acoperita de undele directe, dar exista o suprafata importanta ce nu va receptiona semnalul.

Fig. 26.

Vom prezenta in continuare foarte simplu mecanismul refractiei, pe baza legilor opticii geometrice si a unui model simplificat al straturilor ionosferei. Intr-o prima aproximatie, indicele de refractie al mediului ionizat, raportat la cel al spatiului liber, este functie de densitatea electronilor, de masa si de sarcina electronului si de frecventa undei incidente:

unde e=1,59x10^-19 C, m=9x10^-31 kg, e p farazi/m, iar w=2pf. N se masoara in electroni/m³.

Putem modela ionosfera ca o serie de straturi, fiecare avand o densitate a electronilor mai mare, ca in figura 2 Grosimea oricarui strat poate fi micsorata oricat de mult. Unghiul de incidenta la ionosfera q_i, este legat de indicele de refractie al primului strat prin legea de refractie Suell-Law:

n₀ sinq_i = n₁ sin q

Daca n₀=1

sin q_i = n₁ sin q

Fig. 2

Repetand ecuatia pentru fiecare zona de separatie obtinem:

sin q_i = n_n sin q_n

Indicele de refractie . Daca N este densitatea electronilor in stratul n rezulta:

Pe masura ce densitatea electronilor creste, va apare un strat pentru care relatia de mai sus nu va putea fi satisfacuta, adica sin q_n si unda nu va mai trece prin ionosfera ci va fi reflectata inapoi spre pamant. reflexia survine cand N satisface ecuatia (pentru q_i dat):

Densitatea electronilor depinde de altitudine, asa incat altitudinea la care se produce reflexia depinde de unghiul de incidenta q_i al undei si de frecventa semnalului f.

Exista o variatie puternica a densitatii si altitudinii straturilor ionosferei functie de perioada din zi si din an. De fapt, previziunile asupra propagarii undelor radio prin ionosfera sunt strans legate de previziunile meteo si au acelasi succes. Putem anticipa destul de corect cum se va comporta ionosfera, putand astfel alege acele frecvente ce vor produce cea mai buna receptie. Asta presupune ca intr-o perioada de 24 ore frecventa de transmisie trebuie sa se modifice semnificativ; este posibil ca frecveta sa se modifice cu multiplul 2 pentru o perioada scurta, aferenta rasaritului de soare, de exemplu. Astazi, studiul propagarii in ionosfera se face pe calculator, trasandu-se grafice ale frecventei de transmisie recomandate functiei de momentul zilei in care are loc transmisia.

In afara de problema zonei de tacere, care poate fi depasita prin alegerea unei elevatii largi in diagrama de radiatie, exista si problema reflexiilor multiple. In unele conditii, unda poate fi reflectata de ionosfera, apoi reflectata de pamant spre ionosfera, si iarasi reflectata spre pamant, ceea ce duce la receptionarea unui semnal provenit de pe mai multe cai. In acest caz va apare interferenta intre semnale.

O discutie utila despre problemele ionosferei poate fi gasita in bibliografia

Limita de vizibilitate

Pentru frecvente situate deasupra gamei VHF, cel mai important mecanism de propagare este limita de vizibilitate. La aceste frecvente ionosfera nu mai refracta undele, care traverseaza nerefractate diferitele straturi ale ionosferei, iar undele directe sunt atenuate foarte repede. Asadar, emitatorul si receptorul trebuie sa fie in contact optic, desi va exista o mica difractie in jurul obiectelor pentru frecvente mai joase. Rezultatul este o comunicatie proasta dincolo de orizontul optic, ceea ce pune o problema de acoperire in banda UHF acolo unde emitatorul si receptoarele TV se gasesc in zone deluroase.

Fig. 28

Dispersia troposferica

La frecvente peste 400 MHz apare o imprastiere puternica in troposfera (mai jos de ionosfera). Acest fenomen ofera posibilitatea maririi distantei unei legaturi de comunicatii.

Nivelul semnalului poate fi mic, si legatura este supusa fadingului datorat variatiilor altitudinii troposferei, dar exista aplicatii in care aceasta metoda este cea mai buna pentru a asigura o legatura de mare capacitate.