Обзор, учебное пособие или статья о распространении в тропосфере и о том, как радиосигналы на УКВ и выше распространяются на большие расстояния, чем строго по линии прямой видимости в тропосфере.
На частотах выше 30 МГц установлено усиление влияния тропосферы на радиосигналы и системы радиосвязи. Радиосигналы могут распространяться на большие расстояния, чем можно предположить по расчетам прямой видимости. Временами условия меняются, и радиосигналы могут быть обнаружены на расстоянии 500 и даже 1000 км и более. Обычно это форма улучшения тропосферы, которую для краткости часто называют «тропо». Иногда сигналы могут даже задерживаться в приподнятом канале в форме распространения радиосигнала, известной как тропосферный канал. Это может привести к нарушению работы многих каналов радиосвязи (включая двусторонние каналы радиосвязи), поскольку могут возникнуть помехи, которых обычно нет. В результате при проектировании линии или сети радиосвязи
Способ распространения сигналов на частотах УКВ и выше имеет большое значение для тех, кто занимается радиопокрытием таких систем, как сотовая связь, мобильная радиосвязь и другие беспроводные системы, а также для других пользователей, включая радиолюбителей.
Радиосвязь в прямой видимости
Можно подумать, что большинство каналов радиосвязи на УКВ и выше проходят по линии прямой видимости. Это не совсем верно, и обнаружено, что даже в нормальных условиях радиосигналы могут распространяться на расстояния, превышающие дальность прямой видимости.
Причина увеличения расстояния, пройденного радиосигналами, заключается в том, что они преломляются небольшими изменениями, существующими в земной атмосфере вблизи земли. Обнаружено, что показатель преломления воздуха вблизи земли очень немного выше, чем выше. В результате радиосигналы отклоняются в сторону области с более высоким показателем преломления, расположенной ближе к земле. Тем самым расширяется диапазон радиосигналов.
Показатель преломления атмосферы зависит от множества факторов. На значение влияют температура, атмосферное давление и давление водяного пара. Даже небольшие изменения этих переменных могут иметь существенное значение, поскольку радиосигналы могут преломляться по всему пути прохождения сигнала, и это может простираться на многие километры.
N единиц
Установлено, что среднее значение показателя преломления воздуха на уровне земли составляет около 1,0003, но может легко изменяться от 1,00027 до 1,00035. Ввиду того, что видны очень небольшие изменения, была введена система, позволяющая легче замечать небольшие изменения. Часто используются единицы, называемые единицами «N». Эти N-единицы получаются путем вычитания 1 из показателя преломления и умножения остатка на миллион. Таким образом, получаются более управляемые числа.
N = (mu-1) x 10^6
Где mu — показатель преломления
Установлено, что в качестве очень грубого ориентира при нормальных условиях в температурном поясе показатель преломления воздуха падает примерно на 0,0004 на каждый километр увеличения высоты, т. е. на 400 Н ед./км. Это приводит к тому, что радиосигналы имеют тенденцию следовать кривизне Земли и выходить за пределы геометрического горизонта. Фактические значения расширяют радиогоризонт примерно на треть. Этот коэффициент часто используется в большинстве расчетов покрытия радиосвязи для таких приложений, как широковещательные радиопередатчики, и других пользователей двусторонней радиосвязи, таких как мобильная радиосвязь, сотовая связь и т.п.
Расширенные условия
При определенных условиях условия распространения радиоволн, обеспечиваемые тропосферой, таковы, что сигналы распространяются на еще большие расстояния. Эта форма «подъема» в условиях менее выражена в нижних частях спектра УКВ, но более заметна на некоторых высоких частотах. При определенных условиях радиосигналы могут быть слышны на расстоянии 2000 и более километров, в редких случаях возможны расстояния до 3000 километров. Это может привести к значительным уровням помех в течение определенного периода времени. Эти увеличенные расстояния являются результатом гораздо больших изменений значений показателя преломления на пути прохождения сигнала. Это позволяет сигналу достигать большей степени изгиба и в результате следовать кривизне Земли на больших расстояниях.
При некоторых обстоятельствах изменение показателя преломления может быть достаточно большим, чтобы отклонить сигналы обратно к поверхности Земли, после чего они снова отражаются вверх от поверхности Земли. Таким образом, сигналы могут перемещаться по кривизне Земли, отражаясь от ее поверхности. Это одна из возможных форм «тропосферного канала».
Также возможно возникновение тропосферных каналов над поверхностью Земли. Эти приподнятые тропосферные каналы возникают, когда масса воздуха с высоким показателем преломления имеет массу воздуха с более низким показателем преломления под и над собой в результате движения воздуха, которое может происходить при некоторых условиях. При возникновении этих условий сигналы могут быть ограничены приподнятой областью воздуха с высоким показателем преломления, и они не могут выйти и вернуться на землю. В результате они могут путешествовать на несколько сотен миль и получать сравнительно низкие уровни затухания. Они также могут быть не слышны станциям под каналом и, таким образом, создавать пропуск или мертвую зону, подобную той, что возникает при ВЧ-ионосферном распространении.
Механизм тропосферного распространения
Эффекты тропосферного распространения возникают сравнительно близко к поверхности Земли. На радиосигналы влияет область, которая находится ниже высоты около 2 километров. Поскольку эти регионы сильно зависят от погодных условий, существует тесная связь между погодными условиями, условиями распространения радиоволн и охватом.
В нормальных условиях существует постоянный градиент показателя преломления с высотой, причем воздух, расположенный ближе всего к поверхности Земли, имеет самый высокий показатель преломления. Это вызвано несколькими факторами. Воздух с более высокой плотностью и воздух с более высокой концентрацией водяного пара приводят к увеличению показателя преломления. Поскольку воздух, ближайший к поверхности Земли, более плотный (в результате давления, оказываемого газами над ним), и имеет более высокую концентрацию водяного пара, чем тот, что выше, это означает, что показатель преломления воздуха, наиболее близкого к земному поверхность самая высокая.
Обычно температура воздуха ближе всего к поверхности Земли выше, чем на большей высоте. Этот эффект имеет тенденцию уменьшать градиент плотности воздуха (и, следовательно, градиент показателя преломления), поскольку воздух с более высокой температурой менее плотный.
Однако при некоторых обстоятельствах происходит так называемая температурная инверсия. Это происходит, когда горячий воздух близко к земле поднимается, позволяя более холодному и плотному воздуху приблизиться к Земле. Когда это происходит, это приводит к большему изменению показателя преломления с высотой, что приводит к более значительному изменению показателя преломления.
Температурные инверсии могут возникать разными способами. Один из самых драматичных случаев возникает, когда присутствует область высокого давления. Область высокого давления означает, что будут присутствовать стабильные погодные условия, а летом они связаны с теплой погодой. Условия означают, что воздух у земли нагревается и поднимается вверх. При этом более холодный воздух поступает под него, вызывая инверсию температуры. Кроме того, обнаружено, что наибольшие улучшения имеют место, когда область высокого давления удаляется, а давление только начинает падать.
Инверсия температуры может иметь место и при прохождении холодного фронта. Холодный фронт возникает, когда область холодного воздуха встречается с областью теплого воздуха. В этих условиях теплый воздух поднимается над холодным воздухом, создавая температурную инверсию. Холодные фронты имеют тенденцию перемещаться относительно быстро, и в результате улучшение условий распространения имеет тенденцию быть кратковременным.
Исчезновение
Когда сигналы распространяются на большие расстояния в результате улучшенных условий распространения в тропосфере, сигналы обычно подвержены медленным глубоким замираниям. Это связано с тем, что сигналы поступают по разным путям. Поскольку ветры в атмосфере перемещают воздух, это означает, что различные пути будут меняться с течением времени. Соответственно, сигналы, поступающие в приемник, будут совпадать и совпадать по фазе друг с другом из-за разной и меняющейся длины пути, и в результате будет меняться уровень общего принимаемого сигнала.
Любые наземные сигналы, принимаемые в диапазоне ОВЧ и выше, будут зависеть от преобладающих условий распространения, обусловленных тропосферой. В нормальных условиях следует ожидать, что сигналы будут приниматься за пределами обычного расстояния прямой видимости. Однако при некоторых обстоятельствах эти расстояния будут значительно увеличены, и могут возникнуть значительные уровни помех.