Ionosférická absorpce rádiových signálů
Signály jsou absorbovány nebo zeslabeny, když se šíří pomocí ionosféry - existuje několik způsobů, jak jsou zeslabeny.
Výukový program ionosférického šíření zahrnuje . . . .
Ionosférické šíření Ionosféra Ionosférické vrstvy Skywaves & skip Kritická frekvence, MUF, LUF & OWF Jak používat ionosférické šíření Vícenásobné odrazy a skoky Ionosférická absorpce Únik signálu Sluneční indexy Propagační software NVIS Transekvatoriální šíření Šíření po greyline F spread
Absorpce a útlum rádiových signálů ionosférou je samozřejmě důležitý. Pochopení způsobů, kterými jsou signály zeslabeny, umožňuje lepší využití ionosférického šíření pro účely rádiové komunikace.
Je možné použít nejlepší frekvence, nejlepší denní dobu a dokonce použít antény s požadovaným úhlem vyzařování atd., aby se minimalizovaly ztráty a tím umožnila nejlepší rádiová komunikace.
Chování ionosféry je jednou z klíčových oblastí, kterou je třeba vzít v úvahu při plánování radiokomunikační sítě nebo systému nebo při předpovídání podmínek šíření HF.
Způsoby, kterými jsou signály zeslabovány ionosférou
Existuje několik důvodů, proč jsou signály zeslabeny, když jsou vystaveny šíření ionosférou.I když není vždy možné tyto problémy obejít, pochopení toho, co to je, pomáhá v tom, abyste byli schopni podniknout kroky, abyste měli nejlepší šanci na navázání rádiové komunikace s nejlepší silou signálu.
Některé z hlavních důvodů zeslabení signálů zahrnují:
- Vzdálenost
- Útlum ionosférou - hlavně D oblast
- Odraz povrchy na zemi, které mají špatnou odrazivost - pro vícenásobné skoky
- Polarizace
- Další drobné ztráty
Při použití ionosférického šíření se setkáváme s mnoha různými formami ztráty. Je nutné je všechny posoudit při volbě frekvence, denní doby atd. pro plánování radiokomunikačního spojení, rozvrh vysílání atd.
Vzdálenost dráhy
Úroveň signálu klesá s rostoucí vzdáleností mezi přijímačem a vysílačem.
Při šíření ve volném prostoru je možné to vypočítat s relativní přesností. Pro šíření v ionosféře to však vždy neplatí, ale je to dobrý základ pro zahájení výpočtů a pak podle potřeby přidávání dalších ztrát a proměnných.
Rychlost, s jakou intenzita signálu klesá, je úměrná převrácené hodnotě druhé mocniny vzdálenosti.
Kde:
k = konstanta
d = vzdálenost od vysílače
Jako jednoduchý příklad to znamená, že úroveň signálu rádiového přenosu bude čtvrtinovou silou na vzdálenost 2 km ve srovnání s úrovní signálu na vzdálenost 1 km.Pokud je rádiový signál ovlivněn jinými faktory, lze základní vzorec upravit tak, aby to zohlednil.Je důležité si uvědomit, že za určitých okolností mohou existovat tunely šíření, které mohou fungovat jako forma vlnovodu a mohou mít za následek hodnoty exponentu ztráty cesty menší než 2.
I když existuje značná variabilita skutečné ztráty, vždy se bude zvyšovat se vzdáleností.
Ionosférická absorpce / útlum
Ionosféra je obvykle považována za oblast, kde se rádiové vlny na pásmech krátkých vln lámou nebo odrážejí zpět k Zemi. Bylo však také zjištěno, že signály mají při průchodu touto oblastí sníženou sílu nebo zeslabení. Ve skutečnosti může být ionosférická absorpce jedním z hlavních přispěvatelů ke snížení síly signálů.
Většina útlumu se vyskytuje v oblasti D. Některé jsou v oblastech E a F, ale úroveň je mnohem nižší než v oblasti D a lze ji obecně ignorovat.
Když signály vstoupí do oblasti D, přenesou energii na elektrony a uvedou je do pohybu, přičemž vibrují v souladu s rádiovým signálem. Jak elektrony vibrují tímto způsobem, mohou se srazit s jinými molekulami, ionty nebo elektrony. Pokaždé, když dojde ke srážce, malé množství energie se rozptýlí, což se projeví ztrátou síly signálu.
Množství ztracené energie závisí především na počtu kolizí, ke kterým dojde. To zase závisí na řadě dalších faktorů. První je počet dalších přítomných molekul, elektronů a iontů. V oblasti D je hustota vzduchu poměrně vysoká, a tak je kolem velké množství dalších molekul a počet srážek je vysoký.
Druhým faktorem je frekvence signálu. Se snižující se frekvencí se zvyšuje posun vibrací a tím i počet kolizí. Ve skutečnosti bylo zjištěno, že množství ionosférické absorpce, ke kterému dochází, se mění nepřímo k druhé mocnině frekvence. Jinými slovy, pokud se frekvence zdvojnásobí, pak se útlum sníží čtyřnásobně.
To je jeden z hlavních důvodů, proč když více pásem nebo frekvencí bude podporovat KV šíření mezi dvěma rádiovými stanicemi, pak nejvyšší bude poskytovat lepší výsledky. Bylo také zjištěno, že úroveň útlumu je tak vysoká pro signály na rádiovém vysílacím pásmu středních vln, že během dne, kdy je přítomna oblast D, jím neprocházejí žádné signály a signály se šíří pouze pozemní vlnou. V noci, kdy oblast D zmizí, jsou slyšet signály z mnohem větší dálky.
Vliv úhlu vyzařování
Zásadní vliv na útlum signálu může mít také úhel vyzařování signálu z antény.
Úhel vyzařování je úhel mezi cestou signálu a zemí. Nízký úhel vyzařování znamená, že signál postupuje směrem k horizontu, a vyšší znamená, že se pohybuje nahoru.
Nízký úhel vyzařování má určité výhody, pokud jde o snadné dosahování delších vzdáleností. Geometrie diktuje, že nízký úhel vyzařování z antény umožní dosažení větších vzdáleností.
Nevýhodou nízkého vyzařovacího úhlu z hlediska ztráty signálu je to, že signálová cesta bude v oblasti D na větší vzdálenost, a proto bude ztráta větší, když existuje oblast D.
Nízké úhly vyzařování mají své výhody a nevýhody, ale obecně se rádiové komunikace na větší vzdálenosti dosahuje pomocí nižšího úhlu vyzařování.
Je zajímavé poznamenat, že vysílací společnosti používající HF pásma přizpůsobují anténu tak, aby poskytovala požadovaný úhel vyzařování a směr paprsku pro zacílení požadované oblasti. Ztráty v oblasti D budou součástí výpočtů a použitých optimalizací, které budou vyvažovat ztráty v oblasti D s denní dobou, hlavní oblastí ionosféry pro odrazy a podobně.
Jiné radiokomunikační aplikace často vyžadují maximální vzdálenosti, a proto se často používají antény, které poskytují nízký úhel vyzařování. To znamená, že situace, kdy se k zajištění relativně lokálního pokrytí používá odraz s téměř svislým dopadem, často používají dipólové antény, které jsou relativně nízké, aby poskytovaly velmi vysoký úhel vyzařování. Zde budou ztráty v oblasti D nižší než u mnoha jiných aplikací.
Ztráta z odrazů Země
Dalo by se očekávat, že dojde ke ztrátě, když se signály z ionosféry odrážejí zpět nahoru, když signál prochází více odrazy.
Pro každý odraz od Země je zaveden určitý stupeň ztráty, ale skutečná výše ztráty bude záviset na řadě faktorů.
Země je nedokonalý reflektor, ale různé oblasti budou odrážet signály s různou úrovní ztráty: typicky oblasti, které jsou dobrými vodiči elektrického proudu, jsou lepší, stejně jako ty, které jsou plošší.
Mořská voda nebo ploché mokřadní oblasti jsou nejlepší. Suché písečné pouště jsou velmi chudé a horské oblasti s velmi drsným terénem budou mít tendenci rozptylovat signál do mnoha směrů, také nebudou tak dobré.
To znamená, že signály, které se odrážejí v Atlantském nebo Tichém oceánu atd., budou pravděpodobně mnohem silnější než signály odrážené pouštní oblastí, jako je Sahara atd.
Ztráta polarizace
Existuje určitá ztráta nebo útlum, který je způsoben měnící se polarizací signálů vracených z ionosféry. To vyplývá z toho, že se zjistilo, že polarizace signálu může být změněna ionosférou.
Vysílané rádiové signály, které vstupují do ionosféry z pozemních antén, jsou normálně lineárně polarizované. Působení ionosféry s magnetickým polem Země však vede k depolarizaci signálu.
Často je polarizační ztráta seskupena jinými formami relativně nízkých úrovní ztrát. Stupeň této ztráty se liší podle řady faktorů včetně geomagnetické šířky, ročního období, denní doby a délky signálové cesty. Obvykle se tato ztráta může pohybovat kolem 9 dB, ale může být více či méně.
Aplikace ztrát
Pochopení ztrát a útlumu, ke kterým dochází při použití ionosférického šíření pro rádiové komunikační spoje, musí být možné využít ke zlepšení výkonu.
Přestože je mnoho ztrát opraveno a v mnoha případech se nedá nic dělat, existuje několik aspektů operace, které lze změnit. Antény, frekvence, denní doba a podobně.
Protože signál prochází oblastí D pokaždé, když je odražen, jedna z hlavních příčin ztráty závisí na počtu odrazů. To může být velmi důležité, protože signál musí procházet vrstvou D dvakrát při každém odrazu a při více než jednom skoku signál prochází oblastí D několikrát.
Jak již bylo zmíněno, útlum se snižuje s frekvencí. Kromě skutečnosti, že vysokofrekvenční cesty pravděpodobněji používají vrstvu F2 a mají méně odrazů, bude vysokofrekvenční cesta také trpět menšími ztrátami od vrstvy D. To znamená, že signál například na 30 MHz bude silnější než signál na 15 MHz za předpokladu, že šíření může být podporováno na obou frekvencích.
Mělo by se také pamatovat na to, že délka dráhy pro signál s vícenásobným odrazem bude větší než vzdálenost velkého kruhu kolem zeměkoule, zvláště pokud jsou použity vysoké úhly vyzařování. To samo o sobě přidá ke ztrátě signálu, protože ztráta je úměrná délce cesty.
Ztráta signálu je nedílnou součástí provozu na KV pásmech využívajících ionosférické šíření. Pochopení toho, co jsou ztráty a co způsobuje absorpci atd., pomáhá lépe porozumět tomu, co lze očekávat. To znamená, že někdy lze podniknout kroky, které pomohou snížit ztráty a zlepšit úrovně síly signálu pro systém rádiové komunikace.
