Представление о гладкой поверхности земли всегда является условным. Обычно она далеко не ровная, и на пути распространения радиоволны встречаются различные препятствия: холмы, деревья, постройки и т. п. На рис. 34, а показана радиолиния, проходящая над неровной местностью, когда неровности местности лежат ниже прямой, соединяющей передающую и приемную антенны.
Такая трасса называется открытой. В этом случае в точку приема могут приходить прямая волна и несколько (в данном случае две) волн, отраженных от поверхности земли, причем напряженность поля отраженных волн имеет различные фазы. В этом случае результирующая напряженность поля получается иной, чем при распространении волны над ровной поверхностью земли, когда имеется лишь одна отраженная волна.
Другой профиль неровной местности изображен на рис. 34, б, когда препятствие закрывает линию прямой видимости. Такая трасса называется закрытой. За препятствием образуется область тени, но за счет дифракции (огибания волнами препятствия) некоторая напряженность поля создается и в области тени.
Формула (15) хорошо согласуется с опытом, когда поверхность земли можно рассматривать как гладкую сферу. Если на пути распространения волны имеется одно явно выраженное препятствие — холм или высокое здание, то напряженность поля можно оценить, проведя расчет согласно дифракционной теории.
Приближенно напряженность дифракционного поля за препятствием можно вычислить по формуле, предложенной А. Н. Щукиным:
$$
\begin{equation}
E=E_0 F
\tag{20}
\end{equation}\label{eq.20}
$$
где Е0 — напряженность поля в свободном пространстве, определяемая по формуле (2); F — множитель ослабления, для определения которого можно воспользоваться графиком на рис. 35.
Параметр и (рис. 35) зависит от высоты «просвета» z (рис. 34, б), определяемого как расстояние между линией прямой видимости и вершиной препятствия. Для открытой трассы z считается положительным, а для закрытой — отрицательным. Кроме того, параметр u зависит от расстояния от передатчика до препятствия r1 и от препятствия до приемника r2, а также от длины волны λ:
$$
\begin{equation}
u=z\left(\frac{2\thinspace (r_2 + r_1)}{r_2 r_1 \lambda}\right)^{\frac{1}{2}}
\tag{21}
\end{equation}\label{eq.21}
$$
Из рассмотрения графика на рис. 35 следует, что чем более закрыта трасса, тем меньше напряженность поля. Ослабляющее действие препятствия сказывается и тогда, когда вершина препятствия находится ниже линии прямой видимости. Это объясняется тем, что волны от передатчика к приемнику распространяются как бы по фиктивному каналу, радиус которого а зависит от расстояния r1 и r2 и от длины волны:
$$
\begin{equation}
a\approx \sqrt{\frac{r_1 r_2 \lambda}{r_1 + r_2}}
\tag{22}
\end{equation}\label{eq.22}
$$
Такой канал схематически изображен пунктиром на рис. 34, б. Экранирующее действие препятствия сказывается тогда, когда препятствие начинает перекрывать поперечник канала. С другой стороны, пока не перекрыт весь поперечник канала, напряженность поля остается значительной. Представление о канале, по которому распространяются радиоволны, позволяют более правильно оценить влияние неровностей и препятствий на работу радиолинии.
В реальных условиях на пути распространения волны встречаются препятствия, различные по размерам и не имеющие строгой геометрической формы: холмы, деревья, строения и т. п. В этом случае расчет напряженности поля с учетом влияния всех этих препятствий и неровностей практически невозможен. Когда, например, проектируют размещение УКВ вещательной или телевизионной станции, то теоретический расчет может дать только ориентировочное представление о распределении напряженности поля на окружающей местности. Точное представление можно получить, только измерив напряженность поля на местности.
Так, для того чтобы оценить, в каком радиусе возможен устойчивый прием передач Московского телецентра, измерялась напряженность поля вплоть до расстояний в 150 км. Результаты измерений представлены на рис. 36. Линиями обозначены границы зон, где сигнал превышал 1000, 300, 100 и 30 мкВ/м. По разным направлениям сигнал спадает неодинаково быстро. Сравнительно большое уменьшение уровня сигнала в направлении городов Дмитров и Клин объясняется экранирующим действием Клинско-Дмитровской гряды. Интересно, что на большем расстоянии, в районе Талдома, уровень сигнала снова возрастает до 100 мкВ/м.
Для выбора места расположения передатчика и оценки напряженности поля предварительно проводят измерения при помощи опытного передатчика, работающего на той же волне, что и действительный, но имеющего значительно меньшую мощность. Такие опыты проводились, например, в Англии. В этих опытах, кроме конкретных результатов — определения распределения напряженности поля заданной длины волны в данной местности, — получены интересные общие закономерности. Поэтому опишем эти опыты более подробно.
Измерения проводились на волнах около 2 и 0,5 м (частоты 102,6 и 593,6 МГц). Мощность передатчика была около 100 Вт. Измерения были выполнены по девяти радиальным направлениям вокруг передатчика на расстоянии до 70 км через каждые 8 км. Результаты измерений сильно зависели от выбора места расположения приемной антенны. Если антенна находилась на открытом месте, то отклонения при отдельных измерениях составляли 2—3 дБ. Среди высоких деревьев случайные отклонения напряженности поля от среднего значения доходили до 20 дБ. При этом на более короткой волне они были значительнее.
Напряженность поля сильно зависит от профиля местности. На рис. 37 изображен профиль местности по одному из направлений, на которых велись измерения, и на графике нанесены точки измерений напряженности поля. В начале трассы, где местность ровная, напряженность поля убывает плавно. Затем местность повышается до холма. На этом участке пути напряженность поля увеличивается с удалением от передатчика. За холмом напряженность поля резко убывает. Это — область тени. Дальше местность ровная. Интересно, что на этом участке пути напряженность поля не уменьшается с увеличением расстояния, а на протяжении почти 20 км остается постоянной. Это явление объясняется тем, что вершина холма служит как бы естественным ретранслятором. На поверхность земли за холмом приходят две волны: одна — прямая с вершины холма и вторая — отраженная от земли между холмом и приемником. При благоприятном соотношении фаз прямой и отраженной волн напряженность поля увеличивается, что в данном случае привело к компенсации уменьшения напряженности поля с расстоянием.
При измерениях было обнаружено, что на радиальных направлениях, проходящих через сильно застроенные района города (Лондона), напряженность поля в общем ниже, чем по другим направлениям на тех же расстояниях. Особенно сильно это сказывалось на волне 0,5 м. Разница составляла 15—20 дБ.
Когда поверхность земли неровная или антенна размещается над сильно застроенным районом, возникает вопрос: от какого уровня отсчитывать высоту антенны при расчете напряженности поля?
Как видно из формулы (15), расчетное значение напряженности поля значительно зависит от того, какая высота антенны будет выбрана. Некоторые исследователи полагают, что в случае пересеченной местности за высоту антенны следует принимать ее возвышение над средним уровнем, подсчитанным на расстоянии 3—10 км от антенны. Другие считают, что более правильно принимать действительную высоту антенны.
На рис. 38 приведено сопоставление расчетной кривой с данными, полученными из опыта. На волне 3 м измеренные значения отличаются от расчетных не более чем на 6 дБ. На волне 0,5 м разница значительно больше: она достигает 20—30 дБ. На этих графиках нанесены средние по всем направлениям значения, что исключает влияние специфики данной трассы. Измерения показали, что чем выше частота, тем больше расхождение результатов эксперимента с расчетом и тем ниже измеренная напряженность поля по сравнению с рассчитанной. Такие же результаты были получены и другими исследователями.
Путем обобщения результатов многих наблюдений была получена эмпирическая формула, позволяющая рассчитать поправку на неровность почвы. С повышением частоты разность между теоретическим и экспериментальным значениями напряженности поля, выраженная в децибелах, увеличивается пропорционально частоте. Это увеличение при расстояниях в пределах прямой видимости, грубо говоря, не зависит от расстояния до передатчика и высоты подъема антенны. Путем экстраполяции экспериментальных значений получена формула для определения среднего значения напряженности поля Е при пересеченной местности для диапазона частот 50—100 МГц:
$$
\begin{equation}
20\lg\frac{E}{E_\text{р}}=37-20\lg f
\tag{23}
\end{equation}\label{eq.23}
$$
где Eр — напряженность поля, рассчитанная для ровной поверхности земли, мВ/м; f — частота, МГц.
При ровной поверхности земли напряженность поля увеличивается с укорочением длины волны. Это следует из формулы (15). В реальных условиях наличие неровностей приводит к компенсации этого увеличения и напряженность поля почти не зависит от частоты.
В сильно гористой местности расчет, даже с учетом поправок, дает очень грубое приближение к действительности. Часто бывает трудно оценить места, где прием будет слабым и неуверенным. Для выяснения таких мест и выбора наилучшего места расположения передающей антенны применяется следующий способ.
Изготовляют рельефный макет местности со всеми возвышенностями и неровностями. В предполагаемое место расположения антенны помещают небольшую лампочку. Интенсивность света на рельефной карте характеризует напряженность поля УКВ передатчика на местности. Если сфотографировать этот макет и карту местности в одном и том же масштабе, а затем наложить диапозитивы и сделать общий отпечаток, то получится карта распределения напряженности поля. Перемещая лампочку (передатчик), можно выбрать наивыгоднейшее место расположения передатчика. Такой способ был применен для выбора места расположения вещательной УКВ станции в Граце (Австрия).
Нередко бывает необходимо наладить связь или желательно вести прием телевизионных передач в холмистой местности, причем приемный пункт оказывается расположенным за холмом в области тени. Тогда напряженность поля может оказаться недостаточной для приема. Для того чтобы прием был возможен, обычно применяется один из следующих способов.
На склоне холма, обращенном в сторону передатчика, близко к вершине устанавливают приемную антенну (рис. 39, а). Сигнал от приемной антенны подается на предварительный усилитель, а затем по кабелю на мощный усилитель и передающую антенну, обращенную в сторону приемного пункта. Техническая трудность заключается в устранении обратной связи между передающей и приемной антеннами, если мощный передатчик работает на волне, на которую настроен приемник. Для устранения обратной связи передающую антенну относят на несколько десятков метров от приемной и располагают их на разных склонах холма. В этом случае требуются источник питания и постоянное обслуживание установки. Но все-таки этот способ достаточно прост и дешев. Такая система может ретранслировать только одну программу.
Можно использовать вспомогательный передатчик, который работал бы на волне, отличной от волны основной станции (рис. 39, б). В этом случае устраняется опасность возникновения обратной связи. Приемную и передающую антенны не нужно разносить на большие расстояния. Сигнал с приемной антенны усиливается и детектируется в приемнике, а затем модулирует вспомогательный передатчик. Оборудование требуется более сложное, необходимы источники питания и обслуживание. Такая система тоже может ретранслировать одновременно только одну программу. Для приема другой программы необходимо перестроить приемник.
Наиболее простым способом является применение пассивного ретранслятора (рис. 39, в). Антенну с большим коэффициентом усиления располагают на вершине холма в пределах прямой видимости передатчика. Сигнал от приемной антенны подается непосредственно на передающую антенну, расположенную в пределах прямой видимости приемного пункта. Этот способ можно применять только при наличии достаточно сильного сигнала и только в том случае, когда расстояние от передатчика до ретранслятора значительно больше, чем от ретранслятора до приемника. Пассивный ретранслятор имеет ряд преимуществ. Для него не нужны источники питания, он прост и дешев и не требует постоянного обслуживания. Большим его преимуществом является то, что он может ретранслировать одновременно несколько программ.
Для приема телевизионных передач в поселке, расположенном за холмом на небольшом расстоянии от вершины холма, целесообразно применить коллективную антенну (рис. 39, г). Сигнал от антенны можно подать на предварительный усилитель и затем по общему фидеру в поселок.
При проектировании УКВ станций необходимо знать, какова будет напряженность поля в городских условиях. Большой город представляет собой сильно пересеченную местность. В точку приема может приходить несколько волн, отраженных от различных зданий и сооружений. Даже в том случае, когда между передающей и приемной антеннами имеется прямая видимость, поле в точке приема носит очень сложный характер. Характер электромагнитного поля в городе может меняться не только от точки к точке, но и во времени из-за отражения радиоволн от движущегося транспорта (трамваев, автомобилей). При движении транспорта меняется расположение «неровностей» и напряженность поля изменяется. Часто наблюдается, что когда приемная антенна расположена невысоко (1-й и 2-й этажи), принимается не прямой сигнал, а отраженный от большого здания, расположенного поблизости.
Еще сложнее структура поля в помещениях. Комнатную антенну для получения наилучшего приема далеко не всегда приходится размещать в направлении на телецентр. В помещении перемещение антенны на несколько метров часто приводит к существенному изменению условий приема. Понятно, что при такой сложной картине поля и таком большом числе влияющих на него факторов нельзя дать точную формулу для расчетов напряженности поля. Оценить хотя бы приблизительно среднее значение напряженности поля можно по эмпирическим формулам, полученным на основании обобщения большого количества опытных данных. Опыт показывает, что в среднем в условиях большого города для оценок может быть использована формула (15), но полученные по ней значения нужно помножить на некоторый коэффициент, меньший 1. Численные значения этого коэффициента колеблются от 0,25 до 0,4. При этом высоту антенн следует отсчитывать от поверхности земли. Даже в этом случае будет получено только приближенное значение напряженности поля.