Embedded Files
Atmosfääris jääb troposfääri kihist kõrgemale ionosfäär, mis algab piirkonnas 50 – 70 km kõrguselt maapinnast ja ulatub kuni 400 km kõrguseni. Ionosfääri iseloomustab see, et kosmosest lähtuva kiirguse toimel, eelkõige Päikeselt saabuva kiirguse mõjul, esinevad selles kihis ionisatsiooni protsessid. Ionisatsiooni tulemusena eralduvad gaasi aatomitest või molekulidest elektronid ning tekivad vabad laengukandjad (elektronid ja ioonid). Samas võib toimuda ka vastupidine protsess – rekombinatsioon, ionisatsiooni vastandnähtus, mille tulemusena tekivad uuesti neutraalsed aatomid ja molekulid. Kõrgustel üle 60 km muutub ionisatsiooni aste juba oluliselt suuremaks. Ioniseeritud kihid avaldavad väga suurt mõju lühilainete kauglevile. Mida kõrgemal asetseb ionosfääri kiht, seda suurem on ionisatsiooni aste, kuid kõrguse suurenedes väheneb ka õhu molekulide arv, mida ioniseerida. Seetõttu on kõrgemates ionosfääri kihtides suhteliselt suurem osa õhust ioniseeritud. Mida tihedamalt on kihis ioone, seda suurem on laine refraktsioon. Ioonide kontsentratsioon sõltub looduslikest tingimustest nagu öö ja päeva vahelised temperatuuri muutused, aastaaegade vaheldumisega seotud muutused, ning päikeseplekkide 11-aastased tsüklilised muutused. Kõige suurem on elektronide tihedus ionosfääris päevasel ajal ja aastaaegadest on tihedus suurim suvel.
Raadiolained pikkusega 10–100 m (3–30 MHz) peegelduvad tagasi ioniseeritud kihtidest maapinna poole, mis võimaldab lühilainetel pidada sidet tuhandete kilomeetrite taha.
Ionosfääris võib eristada kolme erinevatel kõrgustel paiknevat ioniseeritud kihti, millede ionisatsiooni aste on suhteliselt suurem: D-, E- ja F-kiht, mis on kujutatud joonisel 1.
D-kiht paikneb maapinnast 60–90 km kõrgusel, kihi ionisatsiooni aste on madal, sest ta asub suhteliselt kaugemal Päikesest kui kõrgemad ionosfääri kihid. See kiht esineb ainult päeval, öösel ta kaob. Ionisatsioon on põhiliselt tingitud Päikeselt lähtuvast röntgenkiirgusest. Samuti tuleb arvesse ka muu kosmilise päritoluga kiirgus ning ionisatsiooni põhjustav meteoriitide põlemine kõrgustel 60–100 km. Magnettormide puhul avaldavad ioniseerivat mõju ka atmosfääri väliskihist, magnetosfäärist, lähtuvad energiat kandvad osakesed. D-kiht avaldab vähe mõju raadiolainete levi suunale, kuid ta neelab lühilaineid ja kesklaineid, peegeldab pikklaineid. Seepärast pole päeval raadiovastuvõtjas kuulda kaugemaid lühi- ja kesklaine saatjaid, kuid pikklaine saatjad on kuuldavad. Päeva möödudes (päikese loojudes), D-kiht kaob ning lühi- ja kesklaine kaugemad raadiojaamad on kuuldavad.
Joonis 1. Ionosfääris paiknevad enam ioniseeritud kihid D, E ja F (F1, F2) päeval ja öösel
E-kiht paikneb kõrgusel 90–150 km, sellele kihile on iseloomulik vabade elektronide kontsentratsiooni kasv päevasel ajal, sest peamiseks ionisatsiooni allikaks on Päikese lühilainekiirgus. Kuid samal ajal toimub selles kihis ioonide rekombineerumisprotsess ning ööseks ioonide kontsentratsioon langeb samuti nagu D kihil. Aga kuna E kiht on lähemal suurima ionisatsiooni astmega F kihile, siis mainitud rekombineerumise protsessile avaldab vastumõju laengute difusioon kõrgemast F-kihist, kust ioonide kontsentratsioon on suhteliselt suur ka öösel, seda tänu öistele ionisatsiooni allikatele (Päikese geokoronaalne kiirgus, kosmosekiirgus, meteoorid, jt).
Mõnikord tekib kõrgusel 100–110 km õhuke juhuseline (sporaatiline), kuid tihe Es-kiht, paksusega 0,5–1,0 km. Selle kihi iseärasuseks on suur vabade elektronide tihedus, mis avaldab olulist mõju kesk- ja lühilainete levile, põhjustades peegeldust ionosfääri sellest osast. Harvadel juhtudel võivad sellelt sporaatiliselt kihilt esineda peegeldused kuni signaali sageduseni 225 MHz. Ajutise peegeldava kihi teke on seotud Päikesel toimuvate protsessidega ning esineb sagedamini suvekuudel. Selle tekkimise aeg ja kestvus pole prognoositav, see võib toimida alates mõnest minutist kuni mõne tunnini. Sporaatilise kihi olemasolu annab endast märku, näiteks sellega, et on kuuldavad meeterlaine kauged raadiojaamad või nähtavad kaugete telejaamade saated. Ühe peegeldusega toimuva kaugside vahemaa võib ulatuda alates 900 km kuni 2500 km.
E-kihi omadused on väga püsivad; ta peegeldab kesklaineid, öösel ka pikklaineid, teatud juhtudel ka lühilaineid. Kaugemate kesklaine raadiosaatjate lained aga päeval E kihini ei jõua, sest laine energia neeldub päeval esinevas D kihis.
E-kihti nimetatakse ka Kennelly–Heaviside kihiks USA inseneri Arthur E. Kennelly ja briti füüsiku Oliver Heaviside järgi.
O. Heaviside oma uurimistöö tulemusena tuli 1902. a järeldusele, et atmosfääris on ioniseeritud kiht, mis peegeldab raadiolaineid. Tema teooria järgi on võimalik, et raadiolained võivad levida ümber maakera. Sõltumatult teistest eksperimenteeris lühilainete kaugvastuvõtuga A. Kennely, kes pidas sidet üle Atlandi. Need kaks teadlast-uurijat kinnitasid, et on olemas ioniseeritud kiht, mis peegeldab raadiolaineid ja võimaldab kaugsidet.
F-kiht jaguneb kaheks kihiks: F1 kõrgusel 150–250 km ja F2 kõrgusel 150–300 km suvel ja 220–350 talvel. Öösel ühinevad F1 ja F2 üheks kihiks F, mis on põhiline lühilainete peegeldaja. F1 kiht neelab mõningas lühilaine alas laine energiat, kuid enamus lühilaineid läbib selle kihi ning jõuab kihti F2, kust nad peegelduvad tagasi Maa suunas.
F-kiht kannab ka nimetust Appletoni kiht, seda inglise raadiofüüsiku Edward Victor Appletoni järgi, kes sai 1947.a. Nobeli preemia oma uuringute eest raadiolainete ionosfäärilevi valdkonnas.
Joonisel 2 on kujutatud erinevate sagedustega raadiolainete murdumised (refraktsioon) ja peegeldumised. Ühest ja samast antennist lähtunud lained on sisenenud ionosfääri ühesuguse nurga all. Nagu jooniselt näha, ionosfäärini jõudnud madalama sagedusega lained murduvad järsemalt ja pöörduvad tagasi maapinnale saatjale suhteliselt lähedal, nende energia neeldub suurel määral ionosfääri madalamates kihtides. Seepärast pole pikklaine diapasooni ruumilained kaugsideks kasutatavad, nende puhul tuleb kasutada pinnalainet ning suure võimsusega saatjat.
Lühilainete peamised peegeldajad on ionosfääri kõrgemas osas paiknevad F-kihid ning lühilained sagedusega 3–25 MHz peegelduvad sealt tagasi maapinnale suurtele kaugustele saatjast, kaotamata seejuures oluliselt oma energiat. Seepärast sobivad sellise sagedusega lühilained kaugsideks. Lühilaineala lühemad lained (alates 30 MHz ja kõrgemad sagedused) murduvad ionosfääris ja läbivad selle ning tagasi maapinnale nad ei pöördu. Ultralühilained, alates meeterlainetest kuni millimeeterlaineteni, läbivad ionosfääri sirgjooneliselt, optilise nähtavuse piires.
Joonis 2. Raadiolainete murdumine ja peegeldumise ionosfäärist
Feeding
Feeding
Signaalid võivad saatjast S vastuvõtja V antenni jõuda erinevaid teid kaudu – otselainena ja erinevatelt atmosfääri kihtidest peegeldunud lainena (joonis 3). Sel juhul satuvad signaalid eri faasidega vastuvõtu antenni ning signaali amplituudi väärtus kujuneb nende signaalide liitumisel, seejuures signaalide faas on juhuslik suurus. Selle tulemusena signaali amplituud kord suureneb, kord väheneb, mõnikord kaob üldse ära. Sellist nähtust nimetataks feedinguks ehk vaibumiseks (ingl k fading). Eriti mõjutab vaibumine lühilaine levi, mille põhjuseks on sagedased muutused ionosfääris.
Joonis 3. Signaalid jõuavad vastuvõtja antenni eri pikkusega teed kaudu
Kõrgematel sagedustel tekib feeding atmosfääri eri osade mittehomogeensusest tingitud laine hajumise tõttu. Vaibumine annab signaali vastuvõtjale märku sellest, et ta asub väljaspool pinnalaine levipiirkonda.
Feedingut ei põhjusta mitte ainult looduslikud tegurid, vaid seda võib põhjustada inimtegevusega seotud objektid. Maastiku ümberkujundus, niisutussüsteemide kasutus ja erinevad ehitised võivad tekitada raadiolainete peegeldusi just kõrgematel sagedustel kui lühilaine sagedus.
Feedingu vähendamiseks kasutatakse erilisi meetodeid, mis vähendavad vaibumise tekkimise tõenäosust. Lihtsaimaks meetodiks on ühel vastuvõtjal kahe ruumis üksteisest mõne lainepikkuse võrra nihutatud antennide kasutamine. Võib kasutada ka kahte eraldi vastuvõtjat, milledel on oma antennid, mis paiknevad ruumis üksteisest eemal. Selline antennide või vastuvõtjate ruumiline laiali paigutamine (ingl k space diversity) vähendab feedingu tekke tõenäosust. Samasugust nihutatud antennide kasutamist kasutatakse ka saatja poolel. Näiteks, mobiiltelefonide jaamade antennimastides kasutatakse mitut omavahel nihutatud antenni.
Feedingu vähendamiseks kasutatakse ka side sageduslikku mitmekesistamist (ingl k frequency diversity), mis tähendab seda, et üks ja sama sõnum saadetakse üheaegselt kahel või rohkemal sagedusel. Tõenäosus, et kahel sagedusel esineb üheaegselt mingi leviteekonna anomaalia, on väike ning see kaitsebki sidesüsteemi feedingu tekke eest. Sellist tehnoloogiat kasutatakse sagedamini detsimeeter lainealas maapealses sides otsenähtavuse korral ning satelliitside võrkude juures.
Vastuvõtjas aitab vähendada vaibumise mõju automaatse tundlikkuse regulaator, mis hoiab signaali amplituudi püsivana.
Feedinguga sarnase tekkepõhjusega on raadiokaja esinemine vastuvõtul. Raadiokaja nähtus seisneb selles, et signaal jõuab vastuvõtja antenni kaks või rohkem korda. Raadiokaja tekib raadiolainete mitmekordse peegelduse tulemusena ioniseeritud atmosfäärikihi ja maapinna vahel. Võrreldes feedinguga on raadiokaja puhul raadiolaine levi erinevad trajektoorid vastuvõtja antennini oluliselt erineva pikkusega ja seetõttu nende saabumise ajaline nihe ka pikem. Raadiokaja saab vähendada suundantennide kasutamise ja optimaalse sageduse valikuga.
Doppleri efekt
Doppleri efekt
Doppleri efekt raadiolainete levis väljendub saatja signaali sageduse muutumisel vastuvõtjas kui saatja või vastuvõtja liigub. See nähtus on sarnane koolifüüsikas käsitletud Doppleri efektiga akustikas
Kui liikuv vastuvõtja läheneb otseteed saatjale, siis iga järgnev lainetsükkel peab läbima lühemat vahemaad vastuvõtja antennini võrreldes eelmisega ning vastuvõetav sagedus vastuvõtjas suureneb. Saatja antennist kiirguv sagedus muidugi ei muutu. Kui vastuvõtja eemaldub saatjast, siis iga järgnev saatja antennist lähtuv lainetsükkel peab läbima pikema tee kui eelmine, mistõttu vastuvõetav sagedus väheneb. Joonisel 4 on kujutatud, kuidas maapealselt primaarradarilt saadetakse signaal lennuki suunas, mis läheneb radarile, lennukilt peegeldunud signaali sagedus suureneb Doppleri efekti tõttu. Joonisel on see sageduse muutus näitlikkuse huvides kujutatud utreeritult suuremana, reaalselt see sageduse muutus on väike. Efekti mõju on suurem liikuva (mobiilse) side sagedustel 300–3000 MHz ning digimodulatsiooniga side korral.
Joonis 4. Lennukilt peegeldunud signaali sagedus suureneb lennuki lähenedes radarile (näitlikkuse huvides on sageduse suurenemine joonisel utreeritud)
Kui vastuvõtja liikumise kiirus on oluliselt väiksem valguse kiirusest ja kui lähenetakse või eemaldutakse saatjast, siis on sageduse nihe fd küllaldase täpsusega arvutatav järgneva avaldisega:
fd = (ν/c)fs ,
kus fs – saatja sagedus, Hz, ν – vastuvõtja liikumise kiirus, m/s, c – valguse kiirus, m/s.
Nagu avaldisest näha, raadiosignaali sageduse muutus on seda suurem, mida suurem on liikumise kiirus ja signaali sagedus. Näiteks, kui vastuvõtja liigub kiirusega 100 km/t ning saatja sagedus on 450 MHz, siis sageduse muutus on 41,6 Hz. Kiirusel 250 km/h ja sagedusel 900 MHz, on sageduse muutus 208 Hz.
Doppler efekti kasutatakse Doppler-radarite juures, mis võimaldavad määrata lisaks liikuvate objektide asukoha suunale ka nende objektide liikumise suunda. Näiteks, kas jälgitav lennuk läheneb või kaugeneb radarist.
Page updated
Report abuse