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Troposphärische Ausbreitung

Troposphärische Ausbreitung

Bei Frequenzen über 30 MHz zeigt sich, dass die Troposphäre einen zunehmenden Einfluss auf Funksignale und Funkkommunikationssysteme hat. Die Funksignale können größere Entfernungen zurücklegen, als dies durch Sichtlinienberechnungen nahegelegt würde. Manchmal ändern sich die Bedingungen und Funksignale können über Entfernungen von 500 oder sogar 1000 km und mehr erkannt werden. Dies geschieht normalerweise durch eine Form der troposphärischen Verstärkung, die oft kurz "Tropo" genannt wird. Manchmal können Signale sogar in einem erhöhten Kanal in Form einer Funksignalausbreitung eingeschlossen werden, die als troposphärischer Kanal bekannt ist. Dies kann viele Funkverbindungen (einschließlich Zweiwege-Funkverbindungen) stören, da möglicherweise Störungen auftreten, die normalerweise nicht vorhanden sind. Daher muss beim Entwurf einer Funkverbindung oder eines Funknetzwerks diese Form der Interferenz erkannt werden, damit Schritte unternommen werden können, um ihre Auswirkungen zu minimieren.

Die Art und Weise, wie Signale mit Frequenzen von UKW und höher übertragen werden, ist von großer Bedeutung für diejenigen, die sich mit der Funkabdeckung von Systemen wie zellularer Telekommunikation, Mobilfunkkommunikation und anderen drahtlosen Systemen sowie anderen Benutzern, einschließlich Funkschinken, befassen.

Sichtverbindung Funkkommunikation

Es könnte angenommen werden, dass die meisten Funkverbindungen bei UKW und höher einem Sichtlinienpfad folgen. Dies ist nicht unbedingt der Fall und es wird festgestellt, dass Funksignale auch unter normalen Bedingungen über Entfernungen wandern oder sich ausbreiten können, die größer als die Sichtlinie sind.

Der Grund für die Zunahme der von den Funksignalen zurückgelegten Entfernung ist, dass sie durch kleine Änderungen in der Erdatmosphäre in Bodennähe gebrochen werden. Es zeigt sich, dass der Brechungsindex der Luft in Bodennähe geringfügig höher ist als der höhere. Infolgedessen werden die Funksignale in Richtung des Bereichs mit höherem Brechungsindex gebogen, der näher am Boden liegt. Dadurch wird die Reichweite der Funksignale erweitert.

Der Brechungsindex der Atmosphäre variiert in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Faktoren. Temperatur, atmosphärischer Druck und Wasserdampfdruck beeinflussen den Wert. Selbst kleine Änderungen dieser Variablen können einen signifikanten Unterschied bewirken, da Funksignale über den gesamten Signalweg gebrochen werden können und sich über viele Kilometer erstrecken können.

N Einheiten

Es wurde festgestellt, dass der Durchschnittswert für den Brechungsindex von Luft in Bodennähe bei etwa 1.0003 liegt, er kann jedoch leicht von 1.00027 bis 1.00035 variieren. Angesichts der sehr kleinen Änderungen wurde ein System eingeführt, mit dem die kleinen Änderungen leichter festgestellt werden können. Einheiten, die als "N" -Einheiten bezeichnet werden, werden häufig verwendet. Diese N-Einheiten werden erhalten, indem 1 vom Brechungsindex subtrahiert und der Rest mit einer Million multipliziert wird. Auf diese Weise werden überschaubarere Zahlen erhalten.
N = (mu-1) · 10 & supmin; & sup6;

Wobei mu der Brechungsindex ist

Es zeigt sich, dass als sehr grobe Richtlinie unter normalen Bedingungen in einer Temperaturzone der Brechungsindex der Luft mit jedem Kilometer Höhenanstieg um etwa 0,0004 abfällt, d. H. 400 N Einheiten / km. Dies führt dazu, dass die Funksignale dazu neigen, der Erdkrümmung zu folgen und sich über den geometrischen Horizont hinaus zu bewegen. Die tatsächlichen Werte verlängern den Funkhorizont um etwa ein Drittel. Dieser Faktor wird häufig in den meisten Berechnungen der Funkkommunikationsabdeckung für Anwendungen wie Rundfunksender und andere Zwei-Wege-Funkkommunikationsbenutzer wie Mobilfunkkommunikation, zellulare Telekommunikation und dergleichen verwendet.

Verbesserte Bedingungen

Unter bestimmten Bedingungen sind die von der Troposphäre bereitgestellten Funkausbreitungsbedingungen so, dass sich die Signale über noch größere Entfernungen ausbreiten. Diese Form des "Auftriebs" unter Bedingungen ist in den unteren Bereichen des UKW-Spektrums weniger ausgeprägt, ist jedoch in einigen der höheren Frequenzen deutlicher. Unter bestimmten Umständen können Funksignale über Entfernungen von 2000 oder mehr Kilometern zu hören sein, wobei Entfernungen von 3000 Kilometern in seltenen Fällen möglich sind. Dies kann über einen bestimmten Zeitraum zu erheblichen Interferenzen führen.

Diese ausgedehnten Abstände resultieren aus viel größeren Änderungen der Brechungsindexwerte über den Signalweg. Dies ermöglicht es dem Signal, einen größeren Grad an Biegung zu erreichen und infolgedessen der Krümmung der Erde über größere Entfernungen zu folgen.

Unter bestimmten Umständen kann die Änderung des Brechungsindex ausreichend hoch sein, um die Signale zur Erdoberfläche zurückzubiegen, an welchem ​​Punkt sie von der Erdoberfläche wieder nach oben reflektiert werden. Auf diese Weise können sich die Signale um die Krümmung der Erde bewegen und von ihrer Oberfläche reflektiert werden. Dies ist eine Form des "Troposphärenkanals", die auftreten kann.

Es ist auch möglich, dass troposphärische Kanäle über der Erdoberfläche auftreten. Diese erhöhten troposphärischen Kanäle treten auf, wenn eine Luftmasse mit einem hohen Brechungsindex aufgrund der Luftbewegung, die unter bestimmten Bedingungen auftreten kann, eine Luftmasse mit einem niedrigeren Brechungsindex darunter und darüber aufweist. Wenn diese Bedingungen auftreten, können die Signale innerhalb des erhöhten Luftbereichs mit dem hohen Brechungsindex begrenzt sein und sie können nicht entweichen und zur Erde zurückkehren. Infolgedessen können sie mehrere hundert Meilen zurücklegen und eine vergleichsweise geringe Dämpfung erhalten. Sie sind möglicherweise auch für Stationen unterhalb des Kanals nicht hörbar und erzeugen auf diese Weise eine Sprung- oder Totzone ähnlich der bei der Ausbreitung der HF-Ionosphäre.

Mechanismus hinter der troposphärischen Ausbreitung

Troposphärische Ausbreitungseffekte treten vergleichsweise nahe an der Erdoberfläche auf. Die Funksignale werden von der Region beeinflusst, die sich unterhalb einer Höhe von etwa 2 Kilometern befindet. Da diese Regionen stark vom Wetter betroffen sind, besteht ein enger Zusammenhang zwischen den Wetterbedingungen und den Funkausbreitungsbedingungen und der Abdeckung.

Unter normalen Bedingungen a gibt es einen stetigen Gradienten des Brechungsindex mit der Höhe, wobei die Luft der Erdoberfläche am nächsten ist und den höchsten Brechungsindex aufweist. Dies wird durch mehrere Faktoren verursacht. Luft mit einer höheren Dichte und Luft mit einer höheren Konzentration an Wasserdampf führen beide zu einer Erhöhung des Brechungsindex. Da die Luft, die der Erdoberfläche am nächsten liegt, sowohl dichter ist (aufgrund des von den darüber liegenden Gasen ausgeübten Drucks) als auch eine höhere Konzentration an Wasserdampf aufweist als die höhere, bedeutet dies, dass der Brechungsindex der Luft, die der Erdoberfläche am nächsten liegt Oberfläche ist die höchste.

Normalerweise ist die Temperatur der Luft, die der Erdoberfläche am nächsten liegt, höher als in größerer Höhe. Dieser Effekt verringert tendenziell den Luftdichtegradienten (und damit den Brechungsindexgradienten), da Luft mit einer höheren Temperatur weniger dicht ist.

Unter bestimmten Umständen tritt jedoch eine sogenannte Temperaturinversion auf. Dies geschieht, wenn die heiße Luft in der Nähe der Erde aufsteigt und kältere, dichtere Luft in die Nähe der Erde gelangt. Wenn dies auftritt, führt dies zu einer größeren Änderung des Brechungsindex mit der Höhe und dies führt zu einer signifikanteren Änderung des Brechungsindex.

Temperaturinversionen können auf verschiedene Arten auftreten. Eines der dramatischsten Ereignisse tritt auf, wenn ein Bereich mit hohem Druck vorhanden ist. Ein Hochdruckbereich bedeutet, dass stabile Wetterbedingungen vorliegen und im Sommer mit warmem Wetter verbunden sind. Die Bedingungen bedeuten, dass sich bodennahe Luft erwärmt und aufsteigt. In diesem Fall strömt kältere Luft darunter und verursacht die Temperaturinversion. Zusätzlich wird festgestellt, dass die größten Verbesserungen tendenziell auftreten, wenn sich der Hochdruckbereich wegbewegt und der Druck gerade erst anfängt zu fallen.

Eine Temperaturinversion kann auch während des Durchgangs einer Kaltfront auftreten. Eine Kaltfront tritt auf, wenn ein Bereich kalter Luft auf einen Bereich warmer Luft trifft. Unter diesen Bedingungen steigt die warme Luft über die kalte Luft und erzeugt eine Temperaturinversion. Kaltfronten neigen dazu, sich relativ schnell zu bewegen, und infolgedessen ist die Verbesserung der Ausbreitungsbedingungen eher kurzlebig.

Fading

Wenn sich Signale aufgrund verbesserter troposphärischer Ausbreitungsbedingungen über größere Entfernungen ausbreiten, unterliegen die Signale normalerweise einem langsamen tiefen Fading. Dies wird dadurch verursacht, dass die Signale über mehrere verschiedene Pfade empfangen werden. Wenn die Winde in der Atmosphäre die Luft bewegen, bedeutet dies, dass sich die verschiedenen Pfade im Laufe der Zeit ändern. Dementsprechend fallen die am Empfänger auftretenden Signale aufgrund der unterschiedlichen und sich ändernden Pfadlängen ineinander und phasenverschoben zueinander, und infolgedessen ändert sich die Stärke des insgesamt empfangenen Signals.

Alle terrestrischen Signale, die bei UKW und höher empfangen werden, unterliegen den vorherrschenden Ausbreitungsbedingungen, die durch die Troposphäre verursacht werden. Unter normalen Bedingungen ist zu erwarten, dass Signale über die normale Sichtlinienentfernung hinaus empfangen werden können. Unter bestimmten Umständen werden diese Abstände jedoch erheblich vergrößert, und es können erhebliche Interferenzen auftreten.

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