Współczynnik refrakcji - n

Transkrypt

1 Wpływ atmosfery Atmosfera jest niejednorodna nie tylko w strukturze (różna przenikalność), ale również w czasie (chmury burzowe, różnica ciśnień, wilgotności, itp.)

2 Troposfera Dolna warstwa atmosfery: 8-10 km w okolicach podbiegunowych w okolicach równika Skład procentowy gazów można uznać za jednakowy; Różna jest zawartość pary wodnej (zależna od warunków atmosferycznych oraz malejąca ze wzrostem wysokości) Spadek temperatury z wysokością jest mniej więcej stały, średnio 6 0 C/km

3 Troposfera Zdarzają się INWERSJE temperatury i wilgotności Propagacja fal elektromagnetycznych silnie zależy w troposferze od warunków meteorologicznych W troposferze występują: załamanie (refrakcja) rozpraszanie tłumienie fal elektromagnetycznych

4 Współczynnik refrakcji - n Stosunek prędkości światła w próżni do prędkości fali w rozważanym ośrodku Zakładamy µ = µ 0 : Częściej używa się wskaźnika refrakcji n N = = v c p = ε r ( n 1) 10 6

5 Wskaźnik refrakcji zależy od: T temperatury powietrza [K] p ciśnienia suchego powietrza [hpa] e ciśnienia cząstkowego pary wodnej [hpa] N = 77,6 T p T e i zmienia się wraz z wysokością: (dn/dh)

6 Troposfera standardowa Do obliczeń przyjmuje się uśrednione wartości: Na wysokości h [km] nad powierzchnią morza wskaźnik refrakcji wynosi: N(h) = 289 e -0,136h

7 Horyzont optyczny i radiowy Na skutek zmian współczynnika refrakcji fala radiowa ulega w troposferze załamaniu i rozchodzi się dalej, niż horyzont optyczny

8 Horyzont radiowy Horyzont radiowy zasięg stacji przy ustalonych wysokościach anten Jest dla troposfery standardowej ok. 15% większy od optycznego horyzontu Wraz z wysokością powietrze nieznacznie rozrzedza się czyli zwiększa się nieco prędkość rozchodzenia się fali, co powoduje pochylenie czoła fali w kierunku ziemi zagięcie fali i zwiększenie zasięgu

9 θ c jest kątem krytycznym. Fale padające pod kątem mniejszym od krytycznego nie zostaną odbite

10 Fale UKF w warstwach atmosfery ziemskiej

11 Tłumienie w troposferze Tłumienie w troposferze dotyczy fal krótszych niż 10 cm Opady atmosferyczne: - woda w zakresie mikrofalowym jest ośrodkiem półprzewodzącym, następują straty energii - rozpraszanie optyczne (krople działają jak soczewki) - absorpcja molekularna (wzbudzanie się atomów i cząsteczek gazu szczególnie tlenu, pod wpływem fali)

12 Tłumienie w troposferze Rozpraszanie energii i tłumienie na cząstkach pyłów i dymu Krople deszczu nie tylko zmniejszają amplitudę, ale również zmieniają polaryzację (szczególnie fal o polaryzacji pionowej); fale o polaryzacji kołowej odbite od kolumny deszczu zmieniają swoją skrętność

13 Zakłócenia naturalne Pomiędzy zjonizowanymi górnymi warstwami atmosfery a powierzchnią Ziemi występuje stała różnica potencjałów około 400 kv; w okresie bezburzowym następuje powolne rozładowywanie się Doładowanie kondensatora następuje w czasie burz (Ziemia otrzymuje ładunki ujemne)

14 Wyładowanie burzowe Pierwsza faza: lider od chmury do ziemi ( przedwyładowanie ) prąd w zakresie A, maksimum przy częstotliwości khz Wyładowanie podstawowe (wzdłuż drogi utorowanej przez lidera) większość energii w paśmie do 10 khz; prąd kA w czasie µs

15 Zakłócenia przy wyładowaniu Lokalne (kilka V/m w pobliżu uderzenia) silne trzaski Dalekie szum, którego poziom jest zmienny w funkcji pory roku, doby, położenia geograficznego, itd

16 Szum jonizacyjny - I Wywołany przez naładowane elektrostatycznie płatki śniegu lub krople deszczu, spadające na antenę W pierwszym okresie opadów impulsy w formie trzasków; później szum Uziemienie anteny i jej metaliczne połączenie z masztem nie zmniejsza poziomu szumu

17 Szum jonizacyjny II (korona) Zwykle w górach silnie zjonizowane chmury nad szczytami lub silny, suchy wiatr powodują indukcyjne ładowanie się wszystkich przewodzących przedmiotów Ostro zakończone przedmioty (również anteny) emitują elektrony, które jonizują otaczające powietrze zjawisko ogni św. Elma Uziemienie anteny i jej metaliczne połączenie z masztem znacznie zmniejsza poziom szumu

18 Łączność z użyciem rozpraszania troposferycznego

19 Łączność z użyciem rozpraszania troposferycznego c.d. Wykorzystywana przy dalekosiężnych łącznościach na falach ultrakrótkich i mikrofalach. Anteny są ustawione wzdłuż płaszczyzny wielkiego koła, tzn. przekroju Ziemi płaszczyzną, na której jest położony środek Ziemi i obie anteny Fale radiowe nie ulegają w troposferze tłumieniu dla długości większych od 10 cm

20 Jonosfera Jonosfera zjonizowana (głównie przez Słońce) część atmosfery, rozciągająca się na wysokości powyżej 60 km W godzinach porannych i południowych przeważa jonizacja; po południu i w nocy - rekombinacja

21 Odbicie od zorzy polarnej zapewnia na obszarze Europy północnej zasięg do 1500 km. Warunkiem zaistnienia łączności zorzowej jest wystąpienie zorzy wokreślonym obszarze, emisja w jej stronę fali pod odpowiednim kątem oraz takie ustawienie anteny, aby fala radiowa powracała naziemię w odpowiednim miejscu wmiarę stabilnie i bez częstych zmian Zorza polarna

22 Propagacja jonosferyczna Częstotliwości 3 MHz 30 MHz Jonosfera to zjonizowana część atmosfery powyżej 60 km Jonizacja pochodzi głównie od Słońca

23 Kąt krytyczny zależy od częstotliwości fal elektromagnetycznych, ze wzrostem częstotliwości rośnie kąt krytyczny i fale są gorzej odbijane przez jonosferę. Częstotliwość f c, przy której kąt krytyczny jest równy zeru, jest nazywana częstotliwością krytyczną Maksymalną częstotliwość użytkową (MUF) wyznacza się: MUF = f c cosθ c Propagacja przyziemna do 10 MHz. Zasięg około 250 km.

24 Częstotliwość krytyczna Maksymalna częstotliwość, przy której pionowo wypromieniowana fala odbije się od atmosfery: Dla f > f kr jonosfera staje się przezroczysta f = 80, 5N kr maks N - wysokość

25 Aktywność Słońca - parametry Solar Flux charakteryzujący stan napromieniowania jonosfery ziemskiej przez Słońce w zakresie od ultrafioletu aż po miękkie promieniowanie rentgenowskie. Wartość liczbowa zawiera się od 64 do ok. 300 jednostek (im wyższy wskaźnik lepsza propagacja)

26 Aktywność Słońca - parametry Indeks K charakteryzujący zmiany w aktywności zewnętrznego ziemskiego pola magnetycznego; wyrażany jest w skali od 0 do 9. Bardzo spokojne zewnętrzne ziemskie pole magnetyczne - K od 0 do 1. Burze magnetyczne od K = 4. Wzrastający indeks K - pogarszanie się warunków propagacyjnych

27 Aktywność Słońca - parametry MUF (Maximum Usable Frequency) W każdej chwili, gdy pomiędzy dwoma punktami na świecie możliwe jest uzyskanie łączności radiowej, istnieje tzw. MUF. Jest to największa częstotliwość, na której można przeprowadzić łączność. W dzień MUF jest generalnie większa niż wnocy, wleciejest większa niż w zimie. Powiększa się również ze wzrostem zjonizowanej atmosfery przy większej aktywności słońca LUF najmniejsza częstotliwość użytkowa

28 Wpływ aktywności Słońca na jonosferę

29 Rozchodzenie się fal radiowych Fale długie (10-100kHz) rozchodzą się głównie w postaci fal powierzchniowych, łatwo uginają się na przeszkodach, w odległościach km pojawiają się jako fala jonosferyczna. Średnie wahania roczne natężenia pola w danym punkcie ok %, przy czym latem największe natężenie występuje w dzień, zimą w nocy

30 Rozchodzą się jak gdyby w falowodzie, o ściankach: powierzchnia Ziemi i dolna warstwa jonosfery. Stosuje się w łączności z łodziami podwodnymi (poniżej 100 Hz), powyżej 10 khz w nawigacji, komunikacji ze statkami, transmisji danych meteorologicznych Fale długie

31 Fale długie Najniższe częstotliwości używane są w komunikacji z łodziami podwodnymi (nawet w dziesiątkach Hz) Częstotliwości poniżej 10 khz są silnie zakłócane przez wyładowania atmosferyczne

32 Fale średnie Zakres 100 khz-1,5 MHz; w odległości km stabilne natężenie wytworzone dzięki fali powierzchniowej obszar bliskiego zasięgu W ciągu dnia tłumione w dolnej części jonosfery (warstwie D), w nocy pojawia się fala jonosferyczna (odbita od warstwy E, D - zanika) w odległości dalszej, gdzie interferuje z falą powierzchniową, powodując okresowe zanikanie sygnału strefa interferencji. Jeszcze dalej, gdzie nie dociera fala powierzchniowa w obszarze dalekiego zasięgu zaniki (nawet powyżej 10 db) mogą występować tylko na niektórych częstotliwościach, w czasie od sekundy do kilku minut zaniki selektywne

33 Zjawisko luksemburskie Przy odbiorze niektórych stacji w porze nocnej pojawia się przesłuch modulacji innej stacji pracującej na odległej częstotliwości Występuje, gdy fale od dwóch nadajników rozchodzą się po częściowo wspólnej drodze w jonosferze

34 Fale krótkie Obejmują zakres od 3 (zasięg kilkudziesięciu kilometrów) do 30 MHz (do kilku kilometrów) Podstawowym mechanizmem rozchodzenia się jest fala jonosferyczna wieloskokowa Podczas wzmożonej aktywności Słońca mogą wystąpić zaniki powszechne (od kilku minut do kilku godzin dłużej dla mniejszych częstotliwości) Występuje efekt Dopplera, echo, zjawisko wielodrogowości, itp..

35 Zjawisko Dellingera zanik powszechny Przy nagłym wzroście jonizacji warstwy D (promienie ultrafioletowe przy burzy słonecznej) może wystąpić nawet kilkugodzinny zanik odbioru fal krótkich na półkuli oświetlonej słońcem. Podobny efekt spowodowałby wybuch jądrowy (dla całej Ziemi, na kilka minut) W ciągu doby po zaniku powszechnym występuje zwykle burza magnetyczna (zaburzenie ziemskiego pola magnetycznego)

36 Fale ultrakrótkie i mikrofale Wielodrogowość fal ultrakrótkich i mikrofal

37 Echo Echo spowodowane zmianą wysokości jonosfery (sygnał przychodzi bezpośrednio i po okrążeniu Ziemi 0,14s) Echo spowodowane wielodrogowością do 1 ms Echo powoduje przekłamania przy transmisji danych!!

38 Rozchodzenie się fal ultrakrótkich i mikrofal Badanie przebiegu wiązki przeprowadza się najczęściej zgodnie z prawami optyki geometrycznej. Należy rozważać wszystkie przeszkody (lasy, jeziora, budynki, wąwozy, itd.) Przy ruchomych źródłach i odbiornikach stosuje się śledzenie położenia (adaptacyjne układy antenowe), zwiększenie mocy, przeplot częstotliwości, korektory echa, itd.

39 Kompatybilność systemów radiokomunikacyjnych Kompatybilność wewnętrzna zapewnienie dostatecznego marginesu bezpieczeństwa wszystkim obiektom wchodzącym w skład systemu np. komórki tej samej sieci leżące obok siebie nie mogą się wzajemnie zakłócać Środowisko elektromagnetyczne tworzone przez naturalne pola istniejące w otoczeniu Ziemi oraz pola powstające w wyniku działalności człowieka Kompatybilność zewnętrzna rozpatrywany obiekt w znikomym stopniu oddziaływuje degradująco na środowisko i jednocześnie jest mało podatny na oddziaływanie ze strony środowiska