ФИЗИКА РАДИОВОЛН
1. Радиоволны
2. Поверхностное распространение радиоволн
3. Ионосферное распространение радиоволн
4. Распространение пространственных волн
5. Тропосферное распространение коротких волн
6. Особенности распространения КВ
Радиоволны
2. Поверхностное распространение радиоволн
3. Ионосферное распространение радиоволн
4. Распространение пространственных волн
5. Тропосферное распространение коротких волн
6. Особенности распространения КВ
Радиоволны
Качество и дальность радиосвязи в значительной мере определяются условиями распространения радиоволн и эффективностью передающих и приемных антенн. Условия распространения радиоволн КВ диапазона имеют существенные отличия по сравнению с распространением радиоволн других диапазонов. Благодаря способности коротких радиоволн эффективно отражаться от ионосферы возможна радиосвязь с любой точкой земного шара при небольшой мощности передатчика В процессе распространения радиоволны искажаются и ослабляются. На приемную антенну, помимо принимаемого сигнала, действуют различные помехи естественного и искусственного происхождения. Радиосвязь возможна лишь в случаях, когда поле принимаемого сигнала не ниже некоторого уровня, зависящего от уровня помех в месте приема и вида модуляции.
Радиоволнами называют электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве и имеющие частоту от 104 до 1012 Гц. Скорость распространения электромагнитной волны в атмосфере практически не отличается от скорости распространения в вакууме, равной 300 000 км/с. Длина волны λ, т. е. путь в метрах, который проходит волна в течение одного периода колебаний,
λ=c/f=3·108/f,
где f — частота тока, вызывающего электромагнитную волну, Гц; с — скорость распространения электромагнитной энергии, м/с.
Волны КВ диапазона, имеющие частоты 1,5 — 30 МГц, соответствуют длинам волн 200 — 10 м. Короткие волны называют также декаметровыми волнами. Электромагнитная волна состоит из электрического и магнитного полей, энергии которых равны между собой. Силовые линии электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны. Плоскость, в которой лежат силовые линии, называются фронтом волны. Волна распространяется перпендикулярно фронту в сторону, определяемую «правилом буравчика». Рис. 1.
Направление электрической составляющей электромагнитного поля определяет поляризацию волны. Эти электрические силовые линии направлены вертикально, волну называют вертикально-поляризованной. Волны могут также иметь наклонную, круговую, эллиптическую поляризации. Поляризация волны в момент излучения определяется направлением вектора электродвижущей силы, создаваемой передающей антенной. Векторы электрической и магнитной составляющих поля изменяются по величине и направлению на противоположные с частотой колебаний, причем максимумы электрического и магнитных полей совпадают во времени и пространстве.
Напряженность электрического поля измеряют в вольтах на метр, а магнитного — в амперах на метр в зависимости от того, какая составляющая электромагнитного поля подлежит измерению. На практике используют более мелкие единицы измерений — микровольт или милливольт на метр (мкВ/м, мВ/м) и микроампер или миллиампер на метр (мкА/м, мА/м).
Напряженность электромагнитного поля в свободном пространстве убывает пропорционально расстоянию от источника, так как волна рассеивается в пространстве. Напряженность поля на расстоянии r от источника (передатчика) мощностью Р можно определить по формуле
E=(173√PD)/r,
где — D — коэффициент направленности антенны; для изотропной (ненаправленной) антенны, имеющей сферическую диаграмму излучения, D=1; Е — напряженность, мВ/м; r — расстояние, км; Р — мощность, кВт.
Радиоволнам свойственны явления отражения, преломления (рефракции) и огибания препятствий (дифракции), имеющих размеры, сравнимые с длиной волны или меньше ее. Радиоволны при распространении рассеиваются (дисперсия) на неоднородностях среды. Рассеивание является формой отражения и преломления волны при прохождении неоднородностей с неплоской границей. Рассеивание иногда используют при связях на небольшие расстояния в диапазонах КВ и УКВ. Для радиосвязи на КВ используют в основном два вида распространения — земной (или поверхностной) и пространственной (или ионосферной) волнами. При определенных состояниях атмосферы для связи на высокочастотных любительских диапазонах можно использовать тропосферное прохождение радиоволн.
Поверхностное распространение радиоволн.
Радиоволнами называют электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве и имеющие частоту от 104 до 1012 Гц. Скорость распространения электромагнитной волны в атмосфере практически не отличается от скорости распространения в вакууме, равной 300 000 км/с. Длина волны λ, т. е. путь в метрах, который проходит волна в течение одного периода колебаний,
Волны КВ диапазона, имеющие частоты 1,5 — 30 МГц, соответствуют длинам волн 200 — 10 м. Короткие волны называют также декаметровыми волнами. Электромагнитная волна состоит из электрического и магнитного полей, энергии которых равны между собой. Силовые линии электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны. Плоскость, в которой лежат силовые линии, называются фронтом волны. Волна распространяется перпендикулярно фронту в сторону, определяемую «правилом буравчика». Рис. 1.
| Рис. 1. |
 |
Напряженность электрического поля измеряют в вольтах на метр, а магнитного — в амперах на метр в зависимости от того, какая составляющая электромагнитного поля подлежит измерению. На практике используют более мелкие единицы измерений — микровольт или милливольт на метр (мкВ/м, мВ/м) и микроампер или миллиампер на метр (мкА/м, мА/м).
Напряженность электромагнитного поля в свободном пространстве убывает пропорционально расстоянию от источника, так как волна рассеивается в пространстве. Напряженность поля на расстоянии r от источника (передатчика) мощностью Р можно определить по формуле
где — D — коэффициент направленности антенны; для изотропной (ненаправленной) антенны, имеющей сферическую диаграмму излучения, D=1; Е — напряженность, мВ/м; r — расстояние, км; Р — мощность, кВт.
Радиоволнам свойственны явления отражения, преломления (рефракции) и огибания препятствий (дифракции), имеющих размеры, сравнимые с длиной волны или меньше ее. Радиоволны при распространении рассеиваются (дисперсия) на неоднородностях среды. Рассеивание является формой отражения и преломления волны при прохождении неоднородностей с неплоской границей. Рассеивание иногда используют при связях на небольшие расстояния в диапазонах КВ и УКВ. Для радиосвязи на КВ используют в основном два вида распространения — земной (или поверхностной) и пространственной (или ионосферной) волнами. При определенных состояниях атмосферы для связи на высокочастотных любительских диапазонах можно использовать тропосферное прохождение радиоволн.
Поверхностное распространение радиоволн.
Поверхностными или земными называют волны, распространяющиеся вдоль земной поверхности. Дальность связи поверхностными волнами зависит от длины волны и уровня излучаемой мощности, а также от состояния (электрических характеристик) земной поверхности. В любительских условиях дальность связи поверхностными волнами не превышает 70-100 км при работе на 80-метровом диапазоне и уменьшается до 40-50 км на 10-метровом.
Причина этого - снижение дифракции и увеличение потерь энергии в земной поверхности с увеличением частоты. С увеличением проводимости почвы эти потери уменьшаются. Поэтому при распространении земной волны над сырой почвой или водной поверхностью дальность связи возрастает. Потери энергии снижаются при уменьшении наводимых токов. Вертикально-поляризованная волна наводит в поверхности Земли меньшие токи, чем волна с другой поляризацией. Антенны с вертикальной поляризацией в общем случае дают более прижатое к Земле излучение, чем антенны с горизонтальной поляризацией, благодаря чему дальность связи при использовании этих антенн для приема и передачи возрастает по сравнению с использованием антенн с горизонтальной поляризацией.
Если передающая и приемная антенны находятся на линии прямой видимости, то напряженность поля в месте приема значительно больше, чем при связи дифракционной волной за линией горизонта. В этом случае волна от передатчика к приемнику распространяется как в свободном пространстве с минимальным ослаблением, обусловленным лишь рассеиванием энергии в пространстве. Однако к приемной антенне, помимо прямой, приходит волна, отраженная от поверхности Земли между двумя антеннами. Поскольку путь отраженной волны больше пути прямой, ее фаза сдвигается относительно фазы прямой волны. Поэтому возможно ослабление поля в точке приема при связи в пределах прямой видимости на высокочастотных КВ диапазонах и на УКВ. Изменение высоты установки хотя бы одной из антенн в этом случае может изменить уровень принимаемого сигнала.
Отражение от Земли в прилегающей к антенне зоне играет большую роль в формировании диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.
Ионосферное распространение радиоволн.
Причина этого - снижение дифракции и увеличение потерь энергии в земной поверхности с увеличением частоты. С увеличением проводимости почвы эти потери уменьшаются. Поэтому при распространении земной волны над сырой почвой или водной поверхностью дальность связи возрастает. Потери энергии снижаются при уменьшении наводимых токов. Вертикально-поляризованная волна наводит в поверхности Земли меньшие токи, чем волна с другой поляризацией. Антенны с вертикальной поляризацией в общем случае дают более прижатое к Земле излучение, чем антенны с горизонтальной поляризацией, благодаря чему дальность связи при использовании этих антенн для приема и передачи возрастает по сравнению с использованием антенн с горизонтальной поляризацией.
Если передающая и приемная антенны находятся на линии прямой видимости, то напряженность поля в месте приема значительно больше, чем при связи дифракционной волной за линией горизонта. В этом случае волна от передатчика к приемнику распространяется как в свободном пространстве с минимальным ослаблением, обусловленным лишь рассеиванием энергии в пространстве. Однако к приемной антенне, помимо прямой, приходит волна, отраженная от поверхности Земли между двумя антеннами. Поскольку путь отраженной волны больше пути прямой, ее фаза сдвигается относительно фазы прямой волны. Поэтому возможно ослабление поля в точке приема при связи в пределах прямой видимости на высокочастотных КВ диапазонах и на УКВ. Изменение высоты установки хотя бы одной из антенн в этом случае может изменить уровень принимаемого сигнала.
Отражение от Земли в прилегающей к антенне зоне играет большую роль в формировании диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.
Ионосферное распространение радиоволн.
Любая радиосвязь на КВ, за исключением местных связей в пределах нескольких десятков километров, осуществляется за счет ионосферных ( или пространственных) радиоволн. Пространственной называют волну, излучаемую под углом к плоскости Земли. Такая волна при отсутствии отражения от ионосферы покинула бы Землю и ушла в космическое пространство. Падая на ионизированные слои атмосферы, волна изменяет направление своего распространения и при определенных условиях возвращается обратно к Земле. Благодаря этому возможна радиосвязь на КВ на любые расстояния в пределах Земли.
Строение и свойства ионосферы. Ионосферой называют ионизированную область верхних слоев атмосферы Земли. Ионизация возникает главным образом под действием ультрафиолетового излучения Солнца, в результате чего образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Кроме того, в процессе ионизации участвуют рентгеновские лучи, излучаемые солнечной короной, и корпускулярные потоки Солнца. Вследствие низкой плотности атмосферы на большой высоте ионы и свободные электроны рекомбинируют сравнительно медленно, и образуется ионизированный слой газа, находящийся в состоянии динамического равновесия. По своим свойствам ионосфера эквивалентна полупроводнику. Поэтому ионосфере свойственны отражающие, преломляющие и ослабляющие свойства. При критической частоте ƒкр=√‾80,8N , где N - удельная концентрация электронов в ионосфере, измеряемая количеством свободных электронов в одном кубическом сантиметре и являющаяся основным показателем преломляющих свойств ионосферы, волна перестает взаимодействовать с ионосферой.
В зависимости от отношения частоты излучаемой волны ƒ к ƒкр меняется угол преломления волны в ионосфере. При ƒ ≤ ƒкр волна отклоняется к Земле, при ƒ > ƒкр волна уходит в космическое пространство. Поглощающие свойства ионосферы зависят от колебаний свободных электронов. Когда электрон, возбужденный волной, сталкивается с нейтральной молекулой или ионом газа, он отдает энергию этой молекуле или иону. Таким образом, энергия волны превращается в энергию движения частиц газа, т. е. в тепловую.
Ионосфера расположена на высоте от 60 до 1000 км. Высота и плотность определяются интенсивностью ультрафиолетового излучения, которое убывает по мере прохождения атмосферы, и плотностью атмосферы, увеличивающейся с уменьшением высоты. Ионосфера состоит из нескольких ионизированных областей, плавно переходящих одна в другую. На рис. 2 показана зависимость электронной концентрации в атмосфере от высоты. В дневные часы возникают четыре максимума ионизации: область D (высота 60-80 км), область E (100-120 км), область F1 (180-200 км) и область F2 (250-450 км). Часто эти области называют слоями ионосферы. После захода Солнца прекращается ионизация атмосферы и начинается процесс рекомбинации электронов, который более бурно проходит в плотных слоях атмосферы. Этим объясняется очень быстрое исчезновение наиболее низкого слоя D. Также уменьшается и сливается со слоем F1 слой F1. В ночные часы ионосфера состоит только из двух ионизированных областей: слоя E пониженной электронной концентрации и слоя F2, который в ночные часы обозначается символом F без индекса.
Слои D , E и F1 достаточно устойчивые. Их электронная концентрация соответствует средней величине солнечной радиации и полностью определяется высотой Солнца над данной точкой Земли. Следовательно, ионизация максимальна в летние полуденные часы. Поскольку эти слои располагаются в более плотной части атмосферы, где число столкновений свободных электронов с атомами газа велико, они являются основными слоями, поглощающими энергию волн КВ диапазона. Слой F2 наиболее важен с точки зрения распространения пространственных волн КВ диапазона. Его высота колеблется от 250 до 300 км в дневные часы летом и от 150 до 300 км в зимние дни. Изменения высоты слоя связаны с нагреванием атмосферы солнечными лучами, что увеличивает высоту слоя и уменьшает его электронную концентрацию.
Слой F2 менее стабилен, чем нижележащие слои, что объясняется большей зависимостью электронной концентрации от мгновенных изменений солнечной активности, т. е. от интенсивности ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Возможные пределы изменения высоты и концентрации слоя F2 показаны на рис. 2 стрелками.
Средний уровень солнечной активности характеризуется относительным числом солнечных пятен W , т. е. темных областей на хромосфере Солнца, с количеством которых связан уровень солнечной радиации. Солнечная активность изменяется циклически с периодом 11,3 года. При этом W меняется от нескольких единиц до 100 и более. Годы, в течение которых W максимально, называют годами максимальной солнечной активности; годы с минимальным значением W - годами спокойного Солнца. В различные периоды солнечной активности условия распространения коротких волн отличаются вследствие изменения ионизации ионосферы. Кроме 11-летнего цикла, состояние ионосферы меняется с 27-дневным циклом - периодом обращения Солнца вокруг своей оси. Это связано с неравномерным распределением пятен на солнечной поверхности. Естественно, что уровень ионизации ионосферы претерпевает и сезонные изменения, связанные с дозой радиации атмосферы северного и южного полушарий в различное время года.
Учитывая указанные причины, можно сделать вывод о непрерывном изменении состояния ионосферы от часа к часу, изо дня в день, из года в год, что приводит к соответствующим изменениям условий радиосвязи на КВ. Неоднородность (слоистость) ионосферы объясняется неоднородностью атмосферы по высоте как по газовому составу, так и по плотности, а также довольно широким спектром излучений Солнца, вызывающих ионизацию. На рис. 2 на высоте 120-130 км штрихами показан слой Es, называемый спорадическим (т. е. нерегулярным). Он представляет собой скопление электронных облаков и очень неравномерен по горизонтали. Время существования этого слоя различно, но обычно не превышает нескольких часов. Интересно, что этот слой часто перемещается вдоль поверхности Земли со скоростью 300 км/ч.
Рассмотрим кратко влияния корпускулярных потоков Солнца на ионосферу. Потоки корпускул, представляющих собой протоны, постоянно внедряются в атмосферу Земли, вызывая дополнительную ионизация, главным образом, плотных слоев атмосферы в области слоя D . Эти же потоки, отклоняясь в магнитном поле Земли, создают ионизацию слоев D и E в полярных зонах до широты 64° с центрами в геомагнитных полюсах Земли.
Увеличение электронной концентрации слоев D и E приводит к внезапному увеличению поглощения КВ в этих слоях. При этом нарушается радиосвязь на многих направлениях. Помимо дополнительной ионизации нижних слоев ионосферы, корпускулярный поток приводит к изменениям магнитного поля Земли, так называемым магнитным бурям. Магнитная буря, в свою очередь, влияет на ионосферу. В первой фазе бури происходит уменьшение электронной концентрации слоя F2 за счет увеличения его толщины; во второй фазе отмечено увеличение ионизации слоев D и E из-за проникновения потоков протонов глубоко в атмосферу. Все это приводит к уменьшению критической частоты слоя F2 и увеличению поглощения в слоях D и E . Магнитные бури развиваются быстро. Следует отметить, что магнитные бури начинаются на 18-36 часов позже начала вспышки на Солнце. Это связано с временем задержки потока протонов при их пути от Солнца к Земле, поскольку скорость частиц намного меньше скорости электромагнитных волн.
Распространение пространственных волн.
Строение и свойства ионосферы. Ионосферой называют ионизированную область верхних слоев атмосферы Земли. Ионизация возникает главным образом под действием ультрафиолетового излучения Солнца, в результате чего образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Кроме того, в процессе ионизации участвуют рентгеновские лучи, излучаемые солнечной короной, и корпускулярные потоки Солнца. Вследствие низкой плотности атмосферы на большой высоте ионы и свободные электроны рекомбинируют сравнительно медленно, и образуется ионизированный слой газа, находящийся в состоянии динамического равновесия. По своим свойствам ионосфера эквивалентна полупроводнику. Поэтому ионосфере свойственны отражающие, преломляющие и ослабляющие свойства. При критической частоте ƒкр=√‾80,8N , где N - удельная концентрация электронов в ионосфере, измеряемая количеством свободных электронов в одном кубическом сантиметре и являющаяся основным показателем преломляющих свойств ионосферы, волна перестает взаимодействовать с ионосферой.
В зависимости от отношения частоты излучаемой волны ƒ к ƒкр меняется угол преломления волны в ионосфере. При ƒ ≤ ƒкр волна отклоняется к Земле, при ƒ > ƒкр волна уходит в космическое пространство. Поглощающие свойства ионосферы зависят от колебаний свободных электронов. Когда электрон, возбужденный волной, сталкивается с нейтральной молекулой или ионом газа, он отдает энергию этой молекуле или иону. Таким образом, энергия волны превращается в энергию движения частиц газа, т. е. в тепловую.
Ионосфера расположена на высоте от 60 до 1000 км. Высота и плотность определяются интенсивностью ультрафиолетового излучения, которое убывает по мере прохождения атмосферы, и плотностью атмосферы, увеличивающейся с уменьшением высоты. Ионосфера состоит из нескольких ионизированных областей, плавно переходящих одна в другую. На рис. 2 показана зависимость электронной концентрации в атмосфере от высоты. В дневные часы возникают четыре максимума ионизации: область D (высота 60-80 км), область E (100-120 км), область F1 (180-200 км) и область F2 (250-450 км). Часто эти области называют слоями ионосферы. После захода Солнца прекращается ионизация атмосферы и начинается процесс рекомбинации электронов, который более бурно проходит в плотных слоях атмосферы. Этим объясняется очень быстрое исчезновение наиболее низкого слоя D. Также уменьшается и сливается со слоем F1 слой F1. В ночные часы ионосфера состоит только из двух ионизированных областей: слоя E пониженной электронной концентрации и слоя F2, который в ночные часы обозначается символом F без индекса.
Слои D , E и F1 достаточно устойчивые. Их электронная концентрация соответствует средней величине солнечной радиации и полностью определяется высотой Солнца над данной точкой Земли. Следовательно, ионизация максимальна в летние полуденные часы. Поскольку эти слои располагаются в более плотной части атмосферы, где число столкновений свободных электронов с атомами газа велико, они являются основными слоями, поглощающими энергию волн КВ диапазона. Слой F2 наиболее важен с точки зрения распространения пространственных волн КВ диапазона. Его высота колеблется от 250 до 300 км в дневные часы летом и от 150 до 300 км в зимние дни. Изменения высоты слоя связаны с нагреванием атмосферы солнечными лучами, что увеличивает высоту слоя и уменьшает его электронную концентрацию.
Слой F2 менее стабилен, чем нижележащие слои, что объясняется большей зависимостью электронной концентрации от мгновенных изменений солнечной активности, т. е. от интенсивности ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Возможные пределы изменения высоты и концентрации слоя F2 показаны на рис. 2 стрелками.
| Рис. 2. |
 |
Учитывая указанные причины, можно сделать вывод о непрерывном изменении состояния ионосферы от часа к часу, изо дня в день, из года в год, что приводит к соответствующим изменениям условий радиосвязи на КВ. Неоднородность (слоистость) ионосферы объясняется неоднородностью атмосферы по высоте как по газовому составу, так и по плотности, а также довольно широким спектром излучений Солнца, вызывающих ионизацию. На рис. 2 на высоте 120-130 км штрихами показан слой Es, называемый спорадическим (т. е. нерегулярным). Он представляет собой скопление электронных облаков и очень неравномерен по горизонтали. Время существования этого слоя различно, но обычно не превышает нескольких часов. Интересно, что этот слой часто перемещается вдоль поверхности Земли со скоростью 300 км/ч.
Рассмотрим кратко влияния корпускулярных потоков Солнца на ионосферу. Потоки корпускул, представляющих собой протоны, постоянно внедряются в атмосферу Земли, вызывая дополнительную ионизация, главным образом, плотных слоев атмосферы в области слоя D . Эти же потоки, отклоняясь в магнитном поле Земли, создают ионизацию слоев D и E в полярных зонах до широты 64° с центрами в геомагнитных полюсах Земли.
Увеличение электронной концентрации слоев D и E приводит к внезапному увеличению поглощения КВ в этих слоях. При этом нарушается радиосвязь на многих направлениях. Помимо дополнительной ионизации нижних слоев ионосферы, корпускулярный поток приводит к изменениям магнитного поля Земли, так называемым магнитным бурям. Магнитная буря, в свою очередь, влияет на ионосферу. В первой фазе бури происходит уменьшение электронной концентрации слоя F2 за счет увеличения его толщины; во второй фазе отмечено увеличение ионизации слоев D и E из-за проникновения потоков протонов глубоко в атмосферу. Все это приводит к уменьшению критической частоты слоя F2 и увеличению поглощения в слоях D и E . Магнитные бури развиваются быстро. Следует отметить, что магнитные бури начинаются на 18-36 часов позже начала вспышки на Солнце. Это связано с временем задержки потока протонов при их пути от Солнца к Земле, поскольку скорость частиц намного меньше скорости электромагнитных волн.
Распространение пространственных волн.
Пространственная волна, попадая в ионосферу, меняет направление своего распространения и ослабляется. Механизм преломления волны достаточно сложен и обусловлен взаимодействием волны со свободными электронами, которые колеблются под влиянием Электрического поля Земли. Это приводит к сдвигу фаз между токами смещения и электронной проводимости и изменению скорости распространения различных частей фронта волны, в результате чего волна изменяет свой путь.
Чем сильнее ионизация, тем больше угол преломления на данной частоте, и наоборот, чем меньше частота (больше длина волны) при данной ионизации, тем больше угол преломления. Поскольку слои ионосферы имеют не одинаковую электронную концентрацию по высоте, угол преломления различен в каждой точке пути волны, и волна описывает плавную кривую при своем преломлении. При расчетах принимают отражение волны в одной точке ионосферы, и путь волны от Земли к ионосфере и обратно изображают в виде прямых. Высоту этой условной точки отражения называют кажущейся, или виртуальной.
Рассмотрим два крайних случая преломления волны в ионосфере. При данной величине ионизации можно найти такую максимальную частоту излучения, при которой волна, посланная вертикально вверх, отклонится к Земле. Эта частота равна критической частоте ƒкр.
Если частота излучения велика или ионизация недостаточна, волна, посланная в ионосферу под максимально острым углом, в силу недостаточного преломления не вернется к Земле. На рис. 3 показана схема распространения КВ, посланных в ионосферу под различными углами.
При частоте выше критической имеется максимальный критический угол излучения φкр , при котором волна еще возвращается к Земле. Чем меньше угол падения волны на ионосферу, тем больше длина скачка волны на Земле, т. е. больше дальность радиосвязи. Существует мертвая зона, в пределах которой связь на данной длине волны невозможна, поскольку в ее пределах земная волна уже затухла, а ионизация ионосферы недостаточна для отражения волны с углами излучения, больше критического. Чем меньше критический угол излучения, тем больше мертвая зона. Очевидно, что с ростом длины волны мертвая зона уменьшается из-за увеличения критического угла излучения. При частоте равной ƒкр, мертвая зона исчезает. Следует отметить, что напряженность поля, создаваемая пространственной волной, обычно гораздо выше, чем напряженность земной волны даже на расстоянии нескольких десятков километров от передатчиков, несмотря на то что путь пространственной волны во много раз длиннее.
Связь за счет одного отражения от наиболее высокого слоя F2 при минимальных углах излучения возможна на расстоянии до 3800 км. При отражении от других, более низких слоев, это расстояние уменьшается. Например, в дневные часы роль отражающего слоя может играть слой E . Дальность связи при этом не превышает 2000 км. Однако всем известно о возможности связи на КВ с любой точкой Земли. Такая радиосвязь возможна при многократном отражении волны от ионосферы и поверхности Земли. Например, для достижения антипода волна должна испытать шесть отражений. Ясно, что при каждом отражении волна претерпевает ослабление, зависящее от состояния ионосферы и свойства поверхности Земли в зонах отражения. Чем меньше число отражений (скачков) волны, тем выше напряженность поля в месте приема. Поэтому стремятся уменьшить количество скачков за счет излучения энергии под малыми углами к горизонту. На рис. 4 показан график зависимости длины одного скачка S от угла излучения φ для средних значений высоты слоев F2 и E . Однако слишком малые углы излучения (меньше 1°) неэффективны из-за большого ослабления волны в земной поверхности вблизи передающей антенны.
В настоящее время принято считать, что дальнее пространственное распространение волн КВ диапазона обусловлено так называемым рикошетным механизмом, действие которого состоит в следующем. Волны излученные под углом меньше чем φкр, при определенном состоянии слоя F2 не отражаются обратно к Земле, а продолжают распространяться вдоль слоя F2 , испытывая при этом малое затухание. Часть энергии волны по пути распространения отклоняется к Земле за счет рассеяния на неоднородностях и вертикальных наклонах ионосферы. Такие вертикальные наклоны существуют в зонах восхода и захода Солнца при изменениях высоты слоя и его ионизации. Именно этим объясняется улучшение слышимости дальних станций в периоды восхода и захода Солнца в местах расположения корреспондентов, обусловленное также низкой плотностью поглощающих слоев D и E в это время.
Подтверждением рикошетного механизма распространения радиоволн является многократное эхо. Сигнал, обошедший Землю первый раз, ослабляется примерно на 100 дБ из-за поглощения энергии в слоях D и E , а вторичное эхо ослабляется всего на 3-5 дБ, поскольку волна не пересекает указанных слоев. Рикошетное распространение может сочетаться со скачковым распространением. При этом, однако, затухание волны гораздо выше.
Для оценки возможности связи между двумя пунктами большое значение имеет максимально применимая частота, чем критическая, МПЧ — это частота, на которой возможна радиосвязь при угле излучения, необходимом для получения отраженного сигнала в заданной точке. Очевидно, что при одинаковом состоянии ионосферы для более дальних связей (при меньших углах излучения) МПЧ должна быть выше. Только на частотах, равных или меньших МПЧ, возможна радиосвязь между данными точками. Волна с частотой, больше чем МПЧ, не возвращается к Земле. Значение МПЧ меняется в течение суток и от сезона к сезону. Значения МПЧ являются основой для составления прогнозов распространения КВ на различных трассах. Такие прогнозы составляют на основе регулярных зондирований ионосферы в различных точках Земли, при которых определяется ƒкр и кажущаяся высота отражающего слоя. Прогнозы составляют на сроки от одного дня до нескольких месяцев вперед и используют для разработки расписания частот связи между конкретными пунктами.
Связь на МПЧ позволяет получить в точке приема максимальную возможную напряженность поля. Если частота приема уменьшается по сравнению с МПЧ, снижается и напряженность поля. Объясняется это увеличением поглощения энергии радиоволны в слоях D и E , которое обратно пропорционально квадрату частоты. Ослабевая по мере снижения частоты, уровень полезного сигнала понижается до уровня помех и шумов в месте приема, и связь становится невозможной. Таким образом, можно ввести понятие о минимальной применимой частоте, которая естественно, зависит от мощности передатчика и коэффициента усиления антенны, так как при прочих равных условиях более мощный передатчик с остронаправленной антенной может работать на более низкой минимальной применимой частоте.
В профессиональной радиосвязи существует понятие оптимальной применимой частоты (ОПЧ), которая на 10-15 % ниже МПЧ. Указанный запас выберется для увеличения надежности связи при внезапных изменениях МПЧ. ОПЧ меняют в течение суток согласно прогнозу МПЧ. Радиолюбители-коротковолновики не имеют возможности произвольно изменять частоту своих передатчиков, так как работают в пределах отведенных диапазонов. Поэтому они планируют время для связи с данным районом Земного шара на данном диапазоне, если МПЧ равна или превышает частоту данного диапазона для данной трассы.
Тропосферное распространение коротких волн.
Чем сильнее ионизация, тем больше угол преломления на данной частоте, и наоборот, чем меньше частота (больше длина волны) при данной ионизации, тем больше угол преломления. Поскольку слои ионосферы имеют не одинаковую электронную концентрацию по высоте, угол преломления различен в каждой точке пути волны, и волна описывает плавную кривую при своем преломлении. При расчетах принимают отражение волны в одной точке ионосферы, и путь волны от Земли к ионосфере и обратно изображают в виде прямых. Высоту этой условной точки отражения называют кажущейся, или виртуальной.
Рассмотрим два крайних случая преломления волны в ионосфере. При данной величине ионизации можно найти такую максимальную частоту излучения, при которой волна, посланная вертикально вверх, отклонится к Земле. Эта частота равна критической частоте ƒкр.
Если частота излучения велика или ионизация недостаточна, волна, посланная в ионосферу под максимально острым углом, в силу недостаточного преломления не вернется к Земле. На рис. 3 показана схема распространения КВ, посланных в ионосферу под различными углами.
| Рис. 3. |
 |
Связь за счет одного отражения от наиболее высокого слоя F2 при минимальных углах излучения возможна на расстоянии до 3800 км. При отражении от других, более низких слоев, это расстояние уменьшается. Например, в дневные часы роль отражающего слоя может играть слой E . Дальность связи при этом не превышает 2000 км. Однако всем известно о возможности связи на КВ с любой точкой Земли. Такая радиосвязь возможна при многократном отражении волны от ионосферы и поверхности Земли. Например, для достижения антипода волна должна испытать шесть отражений. Ясно, что при каждом отражении волна претерпевает ослабление, зависящее от состояния ионосферы и свойства поверхности Земли в зонах отражения. Чем меньше число отражений (скачков) волны, тем выше напряженность поля в месте приема. Поэтому стремятся уменьшить количество скачков за счет излучения энергии под малыми углами к горизонту. На рис. 4 показан график зависимости длины одного скачка S от угла излучения φ для средних значений высоты слоев F2 и E . Однако слишком малые углы излучения (меньше 1°) неэффективны из-за большого ослабления волны в земной поверхности вблизи передающей антенны.
| Рис. 4. |
 |
Подтверждением рикошетного механизма распространения радиоволн является многократное эхо. Сигнал, обошедший Землю первый раз, ослабляется примерно на 100 дБ из-за поглощения энергии в слоях D и E , а вторичное эхо ослабляется всего на 3-5 дБ, поскольку волна не пересекает указанных слоев. Рикошетное распространение может сочетаться со скачковым распространением. При этом, однако, затухание волны гораздо выше.
Для оценки возможности связи между двумя пунктами большое значение имеет максимально применимая частота, чем критическая, МПЧ — это частота, на которой возможна радиосвязь при угле излучения, необходимом для получения отраженного сигнала в заданной точке. Очевидно, что при одинаковом состоянии ионосферы для более дальних связей (при меньших углах излучения) МПЧ должна быть выше. Только на частотах, равных или меньших МПЧ, возможна радиосвязь между данными точками. Волна с частотой, больше чем МПЧ, не возвращается к Земле. Значение МПЧ меняется в течение суток и от сезона к сезону. Значения МПЧ являются основой для составления прогнозов распространения КВ на различных трассах. Такие прогнозы составляют на основе регулярных зондирований ионосферы в различных точках Земли, при которых определяется ƒкр и кажущаяся высота отражающего слоя. Прогнозы составляют на сроки от одного дня до нескольких месяцев вперед и используют для разработки расписания частот связи между конкретными пунктами.
Связь на МПЧ позволяет получить в точке приема максимальную возможную напряженность поля. Если частота приема уменьшается по сравнению с МПЧ, снижается и напряженность поля. Объясняется это увеличением поглощения энергии радиоволны в слоях D и E , которое обратно пропорционально квадрату частоты. Ослабевая по мере снижения частоты, уровень полезного сигнала понижается до уровня помех и шумов в месте приема, и связь становится невозможной. Таким образом, можно ввести понятие о минимальной применимой частоте, которая естественно, зависит от мощности передатчика и коэффициента усиления антенны, так как при прочих равных условиях более мощный передатчик с остронаправленной антенной может работать на более низкой минимальной применимой частоте.
В профессиональной радиосвязи существует понятие оптимальной применимой частоты (ОПЧ), которая на 10-15 % ниже МПЧ. Указанный запас выберется для увеличения надежности связи при внезапных изменениях МПЧ. ОПЧ меняют в течение суток согласно прогнозу МПЧ. Радиолюбители-коротковолновики не имеют возможности произвольно изменять частоту своих передатчиков, так как работают в пределах отведенных диапазонов. Поэтому они планируют время для связи с данным районом Земного шара на данном диапазоне, если МПЧ равна или превышает частоту данного диапазона для данной трассы.
Тропосферное распространение коротких волн.
Работая на высокочастотных 10- и 15-метровых диапазонах, коротковолновики иногда сталкиваются с явлением прохождения земной волны на расстояния, намного превышающие обычные. Причина этого — преломление и отражение волны, излучаемой под низким углом к горизонту, в нижнем слое атмосферы Земли, называемой тропосферой.
Преломление и отражение радиоволн в тропосфере связано с так называемой температурной инверсией. Суть этого явления состоит в следующем. При нормальном состоянии атмосферы температура ее нижних слоев изменяется в среднем на 1°С на каждые 100 м высоты. Однако в результате локальных атмосферных процессов, вследствие неравномерного нагревания воздуха, плавное изменение температуры атмосферы нарушается. В тропосфере появляются области воздуха с различной температурой и давлением с четко очерченными границами. Электрические характеристики таких областей (главным образом диэлектрическая проницаемость) различные, в результате электромагнитная волна претерпевает изменения при переходе в среду с отличными характеристиками. При благоприятных условиях волна, излученная под низким углом к горизонту, вновь отклоняется к Земле. Благодаря этому возможна связь на расстояния до нескольких сот километров.
Следует отметить, что степень преломления и отражения на неоднородностях тропосферу увеличивается с частотой, в отличие от прохождения волны в ионосфере. Этим объясняется возможность дальней тропосферной связи на наиболее высокочастотных КВ диапазонах. Дальняя тропосферная связь на УКВ — довольно частое явление, хорошо знакомое ультракоротковолновикам.
В связи с нестабильностью в тропосфере связь за счет тропосферного распространения характеризуется значительными изменениями уровня принимаемого сигнала, частыми и глубокими замираниями. Кроме того, условия тропосферного прохождения изменяются от часа к часу, изо дня в день. Наиболее благоприятным для тропосферной радиосвязи считают вечернее и предрассветное время в начале лета и ранней осенью, но бывает и в другие периоды года. Более часто тропосферное прохождение наблюдается вблизи границы суши с большим водным бассейном.
С температурной инверсией в тропосфере связано также волноводное распространение. Суть его состоит в том, что в тропосфере на различных высотах образуются два слоя с различными характеристиками, один из которых отклоняет волну вверх, а другой — вниз. Благодаря этому волна распространяется на большие расстояния с незначительным ослаблением. Такое прохождение волн наблюдается в районах, где температурная инверсия проявляется на большой территории (в тропических районах Земли, над морями и океанами).
Особенности распространения КВ.
Преломление и отражение радиоволн в тропосфере связано с так называемой температурной инверсией. Суть этого явления состоит в следующем. При нормальном состоянии атмосферы температура ее нижних слоев изменяется в среднем на 1°С на каждые 100 м высоты. Однако в результате локальных атмосферных процессов, вследствие неравномерного нагревания воздуха, плавное изменение температуры атмосферы нарушается. В тропосфере появляются области воздуха с различной температурой и давлением с четко очерченными границами. Электрические характеристики таких областей (главным образом диэлектрическая проницаемость) различные, в результате электромагнитная волна претерпевает изменения при переходе в среду с отличными характеристиками. При благоприятных условиях волна, излученная под низким углом к горизонту, вновь отклоняется к Земле. Благодаря этому возможна связь на расстояния до нескольких сот километров.
Следует отметить, что степень преломления и отражения на неоднородностях тропосферу увеличивается с частотой, в отличие от прохождения волны в ионосфере. Этим объясняется возможность дальней тропосферной связи на наиболее высокочастотных КВ диапазонах. Дальняя тропосферная связь на УКВ — довольно частое явление, хорошо знакомое ультракоротковолновикам.
В связи с нестабильностью в тропосфере связь за счет тропосферного распространения характеризуется значительными изменениями уровня принимаемого сигнала, частыми и глубокими замираниями. Кроме того, условия тропосферного прохождения изменяются от часа к часу, изо дня в день. Наиболее благоприятным для тропосферной радиосвязи считают вечернее и предрассветное время в начале лета и ранней осенью, но бывает и в другие периоды года. Более часто тропосферное прохождение наблюдается вблизи границы суши с большим водным бассейном.
С температурной инверсией в тропосфере связано также волноводное распространение. Суть его состоит в том, что в тропосфере на различных высотах образуются два слоя с различными характеристиками, один из которых отклоняет волну вверх, а другой — вниз. Благодаря этому волна распространяется на большие расстояния с незначительным ослаблением. Такое прохождение волн наблюдается в районах, где температурная инверсия проявляется на большой территории (в тропических районах Земли, над морями и океанами).
Особенности распространения КВ.
Кроме циклических изменений характеристик ионосферы, а также неожиданных возмущений в ионосфере или магнитном поле Земли распространение КВ сопровождается замиранием сигналов . Замирание сигналов (или фединги) проявляются в непрерывном изменении уровня принимаемых сигналов. Глубина замирания сигналов может достигать нескольких десятков децибел, а частота замираний колеблется от долей до десятков герц. Различают два вида замираний: общие, когда меняется уровень сигнала в целом, и избирательные, когда замиранию подвергается узкая полоса частот сигнала, что при телефонной передачи приводит к частотным искажениям.
Причиной замирания являются одновременно два фактора: многолучевость распространения волны, т. е. отражение волны в разных точках ионосферы, и непрерывное изменение характеристик (например, высоты отражения) ионосферы в этих точках. В результате в место приема приходит несколько лучей, длина пути которых меняется, что приводит к изменению фаз приходящих сигналов. При сложении лучей с различными фазами происходит непрерывное взаимное усиление или ослабление сигнала. Замирания ухудшают качество связи, вызывают пропадание знаков телеграфной азбуки или отдельных слов и фраз при телефонной работе. Часто глубокие и продолжительные замирания полностью нарушают связь на несколько минут.
В профессиональных условиях для борьбы с замираниями на КВ прием сигналов ведется одновременно на две антенны, разнесенные в пространстве на расстояние не менее 10 длин волн, или путем передачи сигналов одновременно на двух частотах. При этом изменения уровня сигналов во времени в первом и втором приемных трактов не совпадают, благодаря чему имеется возможность автоматически выбирать более сильный сигнал и тем самым повысить качество и надежность связи. В любительских условиях такая возможность отсутствует. В этом случае можно несколько ослабить замирания, принимая сигнал по двум каналам на две не разнесенные в пространстве антенны, но с различной поляризацией (например, с вертикальной и горизонтальной). Волна, отразившись от ионосферы, меняет свою поляризацию в зависимости от характеристики ионосферы в данный момент времени и длины хода луча сквозь нее. Уровень сигнала различных лучей, имеющих различную поляризацию, изменяется, что позволяет выбирать в каждый момент времени наиболее сильный сигнал, уменьшив тем самым время или глубину замираний. Интересно отметить, что при приеме на антенны с перпендикулярной поляризацией (например, с вертикальной и горизонтальной) при минимуме сигнала одной поляризации обычно наблюдается максимум сигнала с другой поляризацией.
Вторая особенность распространения КВ — явление эха. Различают два вида эха: ближнее и кругосветное. Ближнее эхо связано с отставанием сигнала идущего по более длинному пути при многолучевом распространении во времени, от сигнала, идущего по короткому пути. Ближнее эхо заметно лишь при передачи очень коротких импульсов. В любительской связи ближнее эхо практически незаметно из-за незначительного сдвига во времени и перекрытия обоих сигналов.
Как известно, связь с любым пунктом на Земле (за исключением антиподов) возможна лишь двумя путями — коротким или длинным, т. е. по кратчайшей или наиболее длинной дугам, лежащим в одной плоскости, проходящей через центр Земли. Обычно в течение суток наблюдаются более благоприятные условия прохождения радиоволн для связи с дальними станциями по длинному или короткому пути. Иногда дальние станции слышны одновременно с двух направлений, причем сигнал, идущий по длинному пути, запаздывает по отношению к сигналу, идущему по короткому пути. Этот эффект называют дальним эхо .
Дальнее эхо заметно при работе на высокочастотных КВ диапазонах. Существуют два пути распространения волны: по короткому, наименьшему пути между передатчиком и приемником (желтая кривая на рис. 5) и по длинному пути вокруг Земного шара (белая кривая). Это так называемое обратное эхо. Возможно также и прямое эхо (голубая кривая), когда волна приходит в пункт приема вторично, обогнув Землю в прямом направлении. При определенных условиях отмечается многократное эхо, когда волна несколько раз огибает Землю с незначительными потерями. Основной способ борьбы с дальним эхо — это применение антенн направленного действия.
Иногда направление прихода волны отличается до ±10° от плоскости, проходящей через точки корреспондентов и центр Земли и образующей с поверхностью Земли так называемую большую окружность. Это объясняется непараллельностью различных участков ионосферы поверхности Земли и, следовательно, отклонением волны не строго вниз.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Источник "Справочник радиолюбителя-коротковолновика". Ред. С.Г.Бунин, Л.П.Яйленко. Изд. "Технiка" 1984, КИЕВ.
Причиной замирания являются одновременно два фактора: многолучевость распространения волны, т. е. отражение волны в разных точках ионосферы, и непрерывное изменение характеристик (например, высоты отражения) ионосферы в этих точках. В результате в место приема приходит несколько лучей, длина пути которых меняется, что приводит к изменению фаз приходящих сигналов. При сложении лучей с различными фазами происходит непрерывное взаимное усиление или ослабление сигнала. Замирания ухудшают качество связи, вызывают пропадание знаков телеграфной азбуки или отдельных слов и фраз при телефонной работе. Часто глубокие и продолжительные замирания полностью нарушают связь на несколько минут.
В профессиональных условиях для борьбы с замираниями на КВ прием сигналов ведется одновременно на две антенны, разнесенные в пространстве на расстояние не менее 10 длин волн, или путем передачи сигналов одновременно на двух частотах. При этом изменения уровня сигналов во времени в первом и втором приемных трактов не совпадают, благодаря чему имеется возможность автоматически выбирать более сильный сигнал и тем самым повысить качество и надежность связи. В любительских условиях такая возможность отсутствует. В этом случае можно несколько ослабить замирания, принимая сигнал по двум каналам на две не разнесенные в пространстве антенны, но с различной поляризацией (например, с вертикальной и горизонтальной). Волна, отразившись от ионосферы, меняет свою поляризацию в зависимости от характеристики ионосферы в данный момент времени и длины хода луча сквозь нее. Уровень сигнала различных лучей, имеющих различную поляризацию, изменяется, что позволяет выбирать в каждый момент времени наиболее сильный сигнал, уменьшив тем самым время или глубину замираний. Интересно отметить, что при приеме на антенны с перпендикулярной поляризацией (например, с вертикальной и горизонтальной) при минимуме сигнала одной поляризации обычно наблюдается максимум сигнала с другой поляризацией.
Вторая особенность распространения КВ — явление эха. Различают два вида эха: ближнее и кругосветное. Ближнее эхо связано с отставанием сигнала идущего по более длинному пути при многолучевом распространении во времени, от сигнала, идущего по короткому пути. Ближнее эхо заметно лишь при передачи очень коротких импульсов. В любительской связи ближнее эхо практически незаметно из-за незначительного сдвига во времени и перекрытия обоих сигналов.
| Рис. 5. |
 |
Дальнее эхо заметно при работе на высокочастотных КВ диапазонах. Существуют два пути распространения волны: по короткому, наименьшему пути между передатчиком и приемником (желтая кривая на рис. 5) и по длинному пути вокруг Земного шара (белая кривая). Это так называемое обратное эхо. Возможно также и прямое эхо (голубая кривая), когда волна приходит в пункт приема вторично, обогнув Землю в прямом направлении. При определенных условиях отмечается многократное эхо, когда волна несколько раз огибает Землю с незначительными потерями. Основной способ борьбы с дальним эхо — это применение антенн направленного действия.
Иногда направление прихода волны отличается до ±10° от плоскости, проходящей через точки корреспондентов и центр Земли и образующей с поверхностью Земли так называемую большую окружность. Это объясняется непараллельностью различных участков ионосферы поверхности Земли и, следовательно, отклонением волны не строго вниз.
ОГЛАВЛЕНИЕ