Радио — это один из видов беспроводной связи, в нем носителем сигнала является радиоволна, которая широко распространяется на расстоянии. Есть мнение, что нельзя передавать радиосигналы под водой. Попробуем разобраться, почему нельзя осуществлять радиосвязь между подводными лодками, и так ли это на самом деле.

Как работает радио связь между подводными лодками:

Распространение радио волн осуществляется по такому принципу: тот, кто передает сигнал, с определенной частотой и мощностью, устанавливает радиоволну. После чего, отосланный сигнал модулирует на высокочастотное колебание. Подхваченный модулированный сигнал исходит специальной антенной на определенные расстояния. Там где получают сигнал радиоволны, к антенне устремляют модулированный сигнал, который сначала отфильтровывается и демодулируется. И только потом мы можем получить сигнал, с некой различаемостью с сигналом, тем, что был передан изначально.
Радиоволны с самым низким диапазоном (ОНЧ, VLF, 3—30 кГц) без проблем пробиваются сквозь морскую воду, до 20 метровой глубины.

Например, подводная лодка, которая находится не так уж глубоко под водой, смогла бы применить этот диапазон для установки и поддержания связи с экипажем. А если мы возьмем подводную лодку, но находящуюся на много глубже под водой, и у нее будет длинный кабель, на котором прикреплен буй с антенной, то она тоже сможет использовать этот диапазон. За счет того что буй установлен на глубине нескольких метров, да еще и имеет маленькие габариты, его очень проблематично отыскать сонарами врагов. «Голиаф», является одним из первых ОНЧ-передатчиков, сооруженный во времена Второй Мировой (1943 г.) в Германии, после окончания войны был переправлен в СССР, а в 1949—1952 годах реанимирован в Нижегородской области и используется там по сей день.

Аэрофотография КНЧ-передатчика (Клэм Лэйк, Висконсин, 1982)

Радиоволны самой низкой частоты (КНЧ, ELF, до 3 кГц) с легкостью проникают сквозь Земную кору и моря. Создание КНЧ-передатчика — из-за громадной длинны волн, ужасно трудная задача.К примеру советская система «ЗЕВС» вырабатывает частоту 82 Гц (длина волны — 3658,5 км) ,а американская «Seafarer» — 76 Гц (длина волны — 3947,4 км) . Их волны соизмеримыс радиусом Земли. От сюда мы видим, что возведение дипольной антенны в половину длины волны (протяжённостью ≈ 2000 км) — недостижимая на текущем этапе цель.

Подводя итоги всему, что было сказано выше, нам необходимо отыскать такую часть земной поверхности, которая будет характеризоваться относительно низкой проводимостью, и присоединить к ней 2 гигантских электрода, которые бы располагались на расстоянии 60 километров относительно друг друга.

Так как нам известна удельная проводимость Земли по части электродов удовлетворительно находится на низком уровне, таким образом, электрический ток между электродами проникал бы фундаментально в глубь недров нашей планеты, применяя их как элемент гигантской антенны. Нужно заметить, что первоисточником необыкновенно высочайших технических трудностей такой антенны, лишь у СССР и США числились КНЧ-передатчики.

В данной статье расскажем вам про радиоволны и свойства их распространения.

Многие люди, не обладая элементарными понятиями о видах энергии, их свойствах, часто рассуждают о способах беспроводной передачи энергии на расстояния. Другие, не зная, как распространяются радиоволны, изготавливают антенны к своим радиопередатчикам и радиоприемникам, пытаясь добиться максимальных характеристик передачи и приема, но у них ничего не получается. Одни читают умные книги, а другие основываются на опыте, или совете малограмотного товарища. Для того, чтобы развеять хотя бы часть заблуждений и дать представление об электромагнитных волнах и как их виде – радиоволнах посвящена эта статья.

Как обычно, я не буду расписывать формул Максвелла, Фарадея и других известных деятелей науки. Их в огромном количестве имеется в учебниках физики, читая которые, даже я – имеющий образование и опыт работы в радиоэлектронике не понимаю, почему в этих учебниках приводятся заумные формулы, а простейшая, имеющая полезное практическое значение информация отсутствует? Ведь на следующий день, или неделю после окончания школы, ученик эти формулы не вспомнит, а простых понятий, как не знал, так и знать не будет.

Начнём с того, что великий изобретатель-практик электрических машин Никола Тесла активно использовал в своих экспериментах электромагнитные колебания, про которые раньше никто не знал, и как мы знаем теперь из учебников физики средней школы — порождают вид электромагнитных волн — радиоволны. Но повторюсь, во времена Теслы о существовании электромагнитных волн никто не знал. Интуитивно, путём наблюдений, Тесла понимал, что в результате его экспериментов в окружающем пространстве появляется какой-то вид энергии. Но в те времена не существовало такой науки и оборудования позволяющего раскрыть понятие электромагнитных волн. Поэтому, это явление рассматривалось как философская категория, которую Тесла называл — эфиром .

Нынче рассуждают, что «эфир» и электромагнитные волны это разные понятия. Они совершенно не правы лишь потому, что абсолютно все изобретения Теслы основаны на использовании обыкновенного переменного электрического тока и электромагнитных полей, которые в свою очередь и порождают не «эфир», а самые обыкновенные электромагнитные волны в радиочастотном диапазоне. Именно то, что в настоящее время называется электромагнитными волнами, в те времена Никола Тесла называл эфиром. Других вариантов объяснений быть не может. Можно долго рассуждать о том, что это разные понятия. Например, кто то с пеной у рта пытается доказать что скорость распространения эфира больше скорости света, а доказательная база отсутствует. С помощью какого эксперимента Никола Тесла мог измерить скорость эфира? Нигде такой информации нет. Вывод один, он её не измерял, а лишь предполагал. Вы скажете, что эфир несёт в себе энергию? Отвечу, любая электромагнитная волна несёт в себе энергию! Мне попадались практические схемы радиоприёмников без батареек, предназначенные не для работы на наушники или динамическую головку, а для получения постоянного электрического тока «из воздуха» теми жителями мегаполисов, которые живут рядом с мощными телерадиоцентрами.

где: f – частота, λ – длина волны, с – скорость света, равная 300 000 км/сек.

Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов:

Сверхдлинные «СДВ» – частотой 3 – 30 кГц, с длиной волны 100 — 10 км;

Длинные «ДВ» – частотой 30 – 300 кГц, с длиной волны 10 — 1 км;

Средние «СВ» – частотой 300 – 3000 кГц, с длиной волны 1000 — 100 метров;

Короткие «КВ» – частотой 3 – 30 МГц, с длиной волны 100 — 10 метров;

Ультракороткие «УКВ» , включающие:

— метровые «МВ» – частотой 30 – 300 МГц, с длиной волны 10 — 1 метра;

— дециметровые «ДМВ» – частотой 300 – 3000 МГц, с длиной волны 10 — 1 дм;

— сантиметровые «СМВ» – частотой 3 – 30 ГГц, с длиной волны 10 — 1 см;

— миллиметровые «ММВ» – частотой 30 – 300 ГГц, с длиной волны 10 — 1 мм;

— субмиллиметровые «СММВ» – частотой 300 – 6000 ГГц, с длиной волны 1 – 0,05 мм;

Диапазоны от дециметровых, до миллиметровых волн, из-за их очень высокой частоты называют сверхвысокими частотами «СВЧ» .

Естественно все перечисленные диапазоны радиоволн, как отечественные, так и буржуйские могут подразделяться на поддиапазоны.

Вспомните практическую важность поляризации ЭМВ — если радиопередатчик и радиоприемник настроены на одну и ту же частоту, но имеют разную поляризацию, например у передатчика вертикальная, а у приемника – горизонтальная, то радиосвязь будет плохой. К этому стоит добавить диаграмму направленности штыревой антенны, и тогда на примере двух радиотелефонов — переносных радиостанций (1 и 2) изображённых на рисунке ниже, можно сделать логическое заключение:

Если антенны радиопередатчика и радиоприемника ориентированы в пространстве относительно горизонта одинаково и диаграммы направленности антенн максимумами направлены друг на друга, то связь будет наилучшей. Если не выполняется одно из указанных условий, то связи либо не будет, либо она будет плохой.

На дальность радиосвязи также влияет ещё один параметр – толщина элементов вибратора, чем она больше, тем антенна широкополоснее – диапазон хорошо принимаемых частот шире, но уровень сигнала практически на всех частотах уменьшается. Это связано с тем, что дипольная антенна – это тот же колебательный контур, а при расширении полосы частот АЧХ резонанса, амплитуда резонанса уменьшается. Поэтому не удивляйтесь, что телевизионная антенна, сделанная из пивных алюминиевых банок в городе, где уровень сигнала телевизионной вышки большой, принимает телевизионный сигнал разных каналов не хуже, а зачастую лучше сложной профессиональной антенны.

Хорошие профессиональные радиоантенны обладают показателем – коэффициентом усиления антенны . Ведь обычный полуволновой вибратор не усиливает сигнал, его действие избирательно – на определённой частоте, в определённых направлениях и определённой поляризации. Чтобы в приемнике было меньше помех, увеличить дальность приема-передачи, одновременно при этом сузить диаграмму направленности антенны (общепринятое название — ДНА), простой полуволновой вибратор не годится. Антенну усложняют.

Ранее, я писал о влиянии различных препятствий — их отражательном свойстве. Если препятствие по своим размерам не соизмеримо (на порядок меньше) с длиной радиоволны, тогда это не является для радиосигнала препятствием, оно никак на него не влияет. Если препятствие находится в плоскости параллельной электрической волне и больше длины волны, тогда это препятствие отражает радиоволну. Если препятствие по протяженности кратно (равно четверти, половине или целой) длине волны, сориентировано параллельно электрической волне и перпендикулярно направлению распространения волны, тогда это препятствие действует как резонансный колебательный контур на целой длине волны или её гармониках, и имеет наибольшие отражательные свойства.

Именно эти описанные выше свойства и используются в сложных антеннах. Так, один из вариантов улучшения приемных свойств антенны является установка дополнительного рефлектора (отражателя), принцип действия которого основывается на отражении радиоволны и синфазного сложения двух сигналов – от телецентра (ТЦ) и от рефлектора. Диаграмма направленности при этом сужается и вытягивается. На рисунке изображена антенна, состоящая из петлевого полуволнового вибратора(1) и рефлектора(2). Длина вибратора (А) этой телевизионной антенны выбирается равной половине длины волны среднего телевизионного канала, помноженную на коэффициент укорочения. Длина рефлектора (Б) выбирается равной половине длины волны минимального телевизионного канала (с максимальной длиной волны). Расстояние между вибратором и рефлектором (С) выбирается таким, чтобы происходило синфазное сложение прямого и отражённого сигнала – половине длины волны.

Следующий способ дальнейшего усиления приемного сигнала путём сужения и вытягивания ДНА – добавление пассивного вибратора – директора . Принцип действия всё на том же синфазном сложении. Диаграмма направленности при этом ещё сильнее сужается и вытягивается. На рисунке изображена антенна «волновой канал» , состоящая из рефлектора (1), петлевого полуволнового вибратора (2) и одного директора (3). Дальнейшее добавление директоров ещё сильнее сужает и вытягивает диаграмму направленности. Длина директоров (В) выбирается чуть меньше длины активного вибратора. Для увеличения коэффициента усиления антенны и её широкополосности, перед активным вибратором добавляются директоры с постепенным уменьшением их длины. Обратите внимание, что длина активного вибратора равна половине средней длине волны принимаемого сигнала, длина рефлектора – больше половины длины волны, а длина директора – меньше половины длины волны. Расстояния между элементами выбирается также около половины длины волны.

В профессиональной технике часто применяется способ сужения ДНА и повышения усилительных свойств антенны – фазированная антенная решётка , в которой параллельно подключается несколько антенн (например простых диполей, или антенн типа «волновой канал»). В результате происходит сложение токов соседних каналов, и как результат – повышение мощности сигнала.

На сверхвысоких частотах в качестве вибратора антенны применяют волновод, а в качестве рефлектора применяют сплошное полотно, все точки которого равноудалены от плоскости вибратора (на одинаковом расстоянии) – параболоид вращения , или в простонародье – «тарелка». Такая антенна обладает очень узкой диаграммой направленности и высоким коэффициентом усиления антенны.

Выводы на основе распространения и сложности формирования радиоволн

Как и куда распространяются радиоволны можно рассчитать с помощью умных формул и преобразований только для идеальных условий – при отсутствии естественных препятствий. Для этого, элементы антенн, различные поверхности должны быть идеально ровные. На практике, из-за влияния многих факторов преломления и отражения, ещё ни один «учёный мозг» не смог с высокой достоверностью рассчитать распространение радиоволн в естественных природных условиях. Существуют области пространства уверенного приема и зоны радиотени – там, где прием вовсе отсутствует. Только в кино альпинисты не отвечают на вызов по радиосвязи потому, что у них заняты руки, или они сами заняты «спасением мира», на самом деле радиосвязь – дело не устойчивое и чаще альпинисты не отвечают потому, что связи просто нет – отсутствует прохождение радиоволн. Именно зависимость радиосвязи от природных явлений (дождь, низкая облачность, разряженность атмосферы и т.д.) привела к возникновению понятия «радиолюбитель» . Это сейчас понятие «радиолюбитель» – человек, который любит паять радиосхемы. Лет двадцать назад это был «связист-коротковолновик», который на изготовленном своими руками маломощном трансивере связывался с другим радиолюбителем (или по другому — радиокорреспондентом), находящимся на другой стороне Земли, за что получал «бонусы». Раньше даже проводились соревнования по радиосвязи. Нынче тоже проводятся, но с развитием техники это стало не так актуально. Среди этих радиолюбителей-связистов есть много недовольных тем, что обыкновенные «паялы», не сидящие в наушниках в поисках радиокорреспондентов для организации радиообмена, называют себя радиолюбителями.

Факторы, влияющие на распространение радиоволн

Средой распространения радиоволн может быть как естественная трасса, так и искусственная. Естественной трассой является земная поверхность, атмосфера или космическое пространство. Такая среда не поддается управлению, что весьма важно для организации радиосвязи. Пути распространения радиоволн по естественным трассам имеют вид:

(РИСУНОК 12).

Радиоволны (1) распространяются в непосредственной близости Земли называют земными. Наиболее заметное влияние на распространение радиоволн в атмосфере оказывают тропосфера и ионосфера. Распространение тропосферных волн (2) в тропосфере происходит вследствие рассеяния и отражения от неоднородностей тропосферы радиоволны (3) распространяются путем отражения от ионосферы, или рассеяния в ней называют ионосферными. Радиоволны 4,5 используются для радиолиний Земля-космос, космос-космос и не имеют специального названия. В свободном пространстве радиоволна обладает поперечной структурой, т.е. входящие в ее состав взаимосвязанные электрическое и магнитные поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения. На рис.13 вектор E характеризует в некоторый момент времени направление электрического поля волны, вектор H-магнитного поля, вектор П-направление распространения э.м волны. Расположение вектора Е в пространстве характеризует поляризацию радиоволны. В зависимости от изменения направления вектора поляризация может быть линейной, круговой, эллиптической. При линейной поляризации вектор Е в процессе распространения остается параллельным самому себе, периодически меняясь по величине и направлению. Математический закон изменения вектора при условии, что в прямоугольной системе координат он изменяется в плоскости проходящей через ось Z, можно записать: Ez=Emcos(?t-kz) (1) или в комплексной форме: Ez=Em*(e**j)*cos(?t-kz) (2), где?=2πƒ-κруговая частота, k=2π/λ – пространственная частота или волновой коэффициент. В общем случае величина k имеет смысл вектора и характеризует направление распространения волны. Закон изменения вектора H записывается аналогично в силу того, что только при этом условии возможно распространение радиоволн. В случае распространения линейно поляризованной волны вблизи раздела 2х сред различают вертикальную поляризацию если вектор E лежит в плоскости падения волны и горизонтальную, если вектор E параллелен границе раздела. Понятие поляризации относительное, в общем случае рассматривают волну поляризованную произвольно относительно границ раздела. В этом случае вектор Е раскладывают на две составляющие, одна из которых будет соответствовать вертикальной поляризации, а вторая – горизонтальной. При круговой поляризации вектор Е оставаясь постоянным по величине, вращается таким образом, что его конец описывает окружность. При эллиптической поляризации вектор Е меняется во времени по направлению и величине что его конец описывает эллипс.

Поляризация радиоволн определяется типом передающей антенны и физическими свойствами среды, в которой происходит распространение радиоволн. Только в космическом пространстве радиоволны распространяются как в свободном пространстве. В ином случае условие распространения определяется электрическими свойствами Земли и атмосферы, а также рельефом местности. Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение земных радиоволн. Ее элементарные свойства характеризуются в основном двумя параметрами: диэлектрической проницаемостью? и проводимостью?. Для земной поверхности однородной по глубине характерно постоянство параметров? и? во всем диапазоне радиоволн длиннее метровых. На дм и более коротких волнах? уменьшается, а? увеличивается с увеличением частоты. Наибольшее значение? и? имеют жидкие среды, а сухая почва, лед, снег, растительность имеют относительно малые значения? и?. Поэтому в зависимости от частоты радиоволн свойства земной поверхности меняются. Например для см диапазона морская вода считается диэлектриком, а влажная почва может рассматриваться как диэлектрик для метровых и более коротких волн. Параметры ε и γ определяют степень поглощения энергии радиоволны при распространении над земной поверхностью количественно потери энергии описываются коэффициентом поглощения α≈6πγ/√(ε). (3)

Физические потери обусловлены переходом энергии радиоволны в тепловую энергию движения молекул среды распространения. При распространении радиоволны в морской воде и влажной почве на низких частотах с повышением частоты коэффициент поглощения возрастает, на высоких частотах он перестает изменяться, как это имеет место в диэлектрике. Если э.м. волна падает на гладкую поверхность Земли, то она частично отражается от границы раздела сред и частично переходит в глубь второй среды. Поэтому в атмосфере имеются падающие и отраженные волны, а во второй среде – преломленная волна. При отражении волн может меняться ее поляризация, а преломленная часть волны поглощается средой. Отражение радиоволн от ровной плоской поверхности подчиняется закону геометрической оптики. Если поверхность земли не ровная, то радиоволны отражаются в различных направлениях, в том числе и в обратном. Рассеянный сигнал может иметь помимо составляющей той же поляризации, что и падающая волна составляющую ортогональную поляризацию. Поверхность считается ровной, если максимальная высота неровности hн удовлетворяет условию: hнλ/(8cosφ) (4). , γде?-угол падения радиоволны. Для УКВ линии, при которой связь осуществляется только на расстоянии прямой видимости поднятие антенн над поверхностью земли позволяет увеличить протяженность связи. Для СВ и ДВ увеличение протяженности радиолиний обеспечивается дифракцией радиоволн, т.е. огибанием препятствий, встречающихся на их пути. Влияние тропосферы на распространение радиоволн также, как и в случае распространения земных радиоволн в основном определяется характером изменения диэлектрической проницаемости и проводимости среды, которые в свою очередь зависят от физико-химических свойств газов, входящих в тропосферу. Относительный газовый состав тропосферы остается постоянным по всей высоте, изменяется лишь содержание водяных паров, которые зависят от метеорологических условий и убывают с высотой. При распространении в тропосфере радиоволны см-го и более коротковолнового диапазона она теряет энергию вследствие поглощения каплями воды и рассеяния в них. При прохождении радиоволн в каждой капельке воды наводятся токи поляризации, которые обуславливают потери энергии. При этом каждая капля переизлучает э.м. волны, причем равномерно во все стороны, что и приводит к рассеянию мощности радиоволны. Мм- волны испытывают добавочное поглощение в молекулах водяного пара и кислорода. При распределении радиоволн в тропосфере наблюдаются искривления траектории волны, причем степень искривления и направления волны зависят от состояния тропосферы. Это явление искривления траектории называемое рефракцией объясняется изменением диэлектрической проницаемости? и показателя преломления тропосферы с высотой. Представим тропосферу в виде тонких сферических слоев с неизменными в слое и отличающимися в разных слоях коэффициентами преломления. При прохождении радиоволны через границы слоев она будет преломляться. Если коэффициент преломления убывает с высотой, то угол преломления увеличивается, т.е. dn/dh 0, то имеет место отрицательная тропосферная рефракция и траектории радиоволн искривляются вверх от земли. При положительной тропосферной рефракции имеет место 3 частных случая: 1) нормальная рефракция 2) критическая рефракция 3) сверхрефракция Нормальная тропосферная рефракция происходит в нормальной тропосфере, параметры которой (P, t, влажность высота) соответствует некоторому среднему значению. Траектория распределения радиоволн при этом искривляется в сторону земной поверхности, что приводит к увеличению дальности радиолинии. Степень отклонения радиоволн зависит от длины волны и от состояния тропосферы. При некоторых условиях искривление такое, что радиоволна распространяется параллельно земле на постоянной высоте. Такой вид рефракции называется критической. При резком убывании коэффициента преломления с высотой происходит полное внутреннее отражение радиоволны от тропосферы, и она возвращается на землю. Это явление называется сверхрефракцией и наблюдается в диапазоне УКВ.

Рисунок 16

Когда область сверхрефракции занимает значительное расстояние над земной поверхностью УКВ может распространяться на весьма большие расстояния. Радиоволна в этом случае распространяется путем последовательного чередования 2х явлений: рефракции в тропосфере и отражения от земли. Это явление получило название распространение радиоволн в условиях тропосферного волновода. Такое волноводное распространение возможно для см и дм волн. Высота тропосферных волноводов может достигать несколько десятков метров. В тропосфере создаются и другие условия обеспечивающие дальнее распространение радиоволн. На высотах 1-3 км наблюдаются инверсионные слои, т.е. слои с резким изменением коэффициента преломления, которые могут отражать радиоволны. Толщина инверсионного слоя может колебаться от нескольких метров до ста метров. При этом коэффициент отражения имеет достаточную величину только для самых пологих лучей при малой толщине слоя по сравнению с длиной волны из этого следует что достаточная интенсивность отражений наблюдается на метровых волнах. Длинные волны отражаются слабее. Отражаясь от высоких инверсионных слоев радиоволны могут распространяться на расстояние до 200-400 км. Однако это явление, как и тропосферный волновод для создания регулярно действующей радиолинии ограничено нерегулярностью проявления. Более реальным является использование дальнего тропосферного распространения за рассеяния УКВ на неоднородностях тропосферы. Неоднородности тропосферы представляют собой области, в которых диэлектрическая проницаемость отличается от среднего значения для окружающей тропосферы. Неоднородности создают вторичное излучение, носящее многолучевой характер. Максимум переизлучения ориентирован в сторону первоначального распространения волны и лишь некоторая часть в сторону. Протяженность радиолинии в случае тропосферного рассеяния достигает 300-500 км. Такие радиолинии широко используются в настоящее время там, где нельзя установить промежуточные ретрансляционные станции (над проливами, в северных и мало населенных районах). Эти радиолинии обеспечивают хорошую надежность передачи телефонных и телеграфных сообщений. Влияние ионосферы на распространение радиоволн обуславливается двумя основными факторами - наличием неоднородностей и относительно высокой концентрацией электронов. Неоднородности ионосферы представляют собой некоторые области, электронная плотность в которых отличается от среднего значения на данной высоте. Размеры неоднородностей могут быть от нескольких метров до нескольких километров. В области D преобладают мелкие неоднородности размером до десятков метров, в слое Е до 200-300 м, а в слое F до нескольких километров. Хотя неоднородности ионосферы постоянно меняются, тем не менее они используются радиосвязи на метровых волнах на дальности 1-2 тыс. км. Наличие в ионосфере электронов и ионов определяет величину диэлектрической проницаемости, от которой зависит затухания ионосферных волн. Диэлектрическая проницаемость ионизированного газа всегда 2 (5), где f- рабочая частота, Nэ – электронная плотность. Из формулы (5) видно, что при некотором значении электронной плотности диэлектрическая проницаемость может стать равной 0. Частота f 0 при которой ε=0 называется собственной частотой ионизированного газа. В этом случае формула (5) имеет вид:
(6). При f (7). Из формулы (7) видно что, каждой частоте соответствует своя фазовая скорость. Эта скорость > скорости света в свободном пространстве. Таким образом дисперсия волн проявляется при одновременном распространении нескольких монохроматических волн различных частот, что практически всегда имеет место. Спектральная составляющая радиосигнала в диспергирующей среде распространяется с разными фазовыми скоростями, что приводит к искажению сигнала. Групповая скорость – это скорость распространения максимума огибающей сигнала. Для ионизированного газа групповая скорость Uгр распространения волны в диспергирующей среде определяется выражением:
(8). Γрупповая и фазовая скорости связаны соотношением: Uгр*Uф=с 2 (9) Т.о. в ионизированном газе радиосигналы распространяются со скоростью меньшей скорости света. Очевидно, что при распространении в ионосфере наибольшее искажение будут испытывать широкополосные сигналы, к которым относятся короткие импульсы.

Импульс 1 после прохождения через ионосферу приобретает форму 2. При распространении через ионосферу искажение вследствие дисперсии претерпевают импульсы длительностью в несколько секунд. А длительные телеграфные импульсы из-за дисперсии практически не искажаются. При распространении радиоволны через ионосферу ее траектория искривляется, при определенной диэлектрической проницаемости, электронной плотности, угле падения волны, ее рабочей частоте радиосигнал может отразиться от ионосферы. При этом угол падения Θ должен быть равен или превышать некоторый критический угол Θкр. Отражение радиоволн возможно и при нормальном падении на ионосферу и происходит оно на той высоте, где рабочая частота равна собственной частоте ионизированного газа. Чем больше электронная плотность, тем для более высоких частот выполняется условие отражения. Максимальная частота, при которой радиоволна отражается в случае вертикального падения на ионосферу, называется критической частотой f КР. Если рабочая частота больше критической, то при нормальном падении на ионосферу отражения не происходит и волна уходит в космическое пространство. Во время солнечных вспышек возникают ионосферные магнитные бури ухудшающие УКВ и КВ связь. Т.о. параметры тропосферы и ионосферы флуктуируют во времени. Это приводит к случайным изменениям амплитуды и фазы радиосигнала и вызывает их искажение. Флуктуация амплитуды сигнала называется замиранием.

Распространение средних волн (СВ)

СВ имеют =100-1000 м и могут распространяться как земными, так и ионосферными волнами. Земные радиоволны (РВ) СВ-диап-на испытывают значительные поглощения в полупроводящей поверхности Земли, что ограничивает их распространение расстоянием 500-700 км. Ионосферные РВ СВ-диап-на могут распространятся на гораздо большие расстояния, однако это имеет место в ночное время суток. Днём распространение СВ происходит практически только земной волной, т.к. ионосферная волна поглощается в слое D и быстро затухает. В ночное время слой D исчезает и СВ распространяются путём отражения от слоя Е ионосферы. Т.о. в диап-не СВ на некотором расстоянии от передатчика возможен одновременный приход земной и ионосферной волн (ИВ).

Вследствие того, что длина пути ИВ меняется по случайному закону при изменении электронной плотности ионосферы изменяется разность фаз волн, приходящих в некоторую точку приёма В. Если разность фаз земной и ИВ =0, то сигнал максимален, а если =180 о, то минимален. Такое изменение напряжённости поля, т.е. сигнала, называется ближним замиранием поля.

Возможен и другой вид замирания, так называемое дальнее замирание поля. Оно возникает в случае прихода в некоторую точку С (рис.18) ИВ путём одного (кривая 3) и двух (кривая 2) отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн так же приводит к колебаниям напряжённости эл. поля. Замирания тем глубже и чаще, чем короче  . Средняя длительность замираний в диапазоне СВ изменяется в пределах от 1с до 10-ков секунд.

Глубокие замирания в диап-не СВ сильно затрудняют приём передаваемой по радиолинии информации. Для борьбы с замираниями на передающей стороне радиолинии применяют специальные антенны, у которых максимум излучения прижат к земной поверхности. В этом случае зона ближних замираний удаляется от передатчика, а дальнее замирание вообще не возникнет, т.к. волна, пришедшая путём двух отражений будет сильно ослаблена. В радиоприёмных устройствах для борьбы с замираниями применяется автоматическая регулировка усиления (АРУ), которая обеспечивает поддержание постоянного уровня сигнала на выходе несмотря на значит. колебания напряжения на входе. Уменьшение уровня ионизации в зимние месяцы позволяет увеличить протяжённость радиолиний в СВ-диап-не зимой.

СВ находят многообразное применение для построения радиосвязи на относительно небольшие расстояния(до 1000 км). На СВ работают радиовещательные станции. В бортовых устройствах СВ используются для радиосвязи и радионавигации.

Распространение коротких волн (КВ)

К КВ относятся РВ с  =(10-100)м. Они могут распространяться как в виде земных (ЗВ), так и ионосферных волн (ИВ). Вследствие сильного поглощения в земн. поверхности и плохих условий дифракции земные РВ КВ диап-на распространяются на расстояния до 100 км. Над морем ЗВ испытывает меньшее поглощение, поэтому дальность КВ радиосвязи ув-ся до нескольких сот км. Если передающие и приёмные антенны поднять над земной поверхностью, поглощение ЗВ уменьшается, а дальность действия радиолинии будет доходить до 1000 км. Это имеет место, например, при радиосвязи между самолётами или между самолётом и землёй. Распространение КВ ионосферной волной происходит путём многократного последовательного отражения от слоя F ионосферы и земной поверхности. КВ не испытывают заметного поглощения при пересечении слоёв E и D, что обеспечивает возможность их распространения на сколь угодно большие расстояния. Для этого требуются радиопередатчики сравнительно небольшой мощности, что является ценной особ-тью КВ-диап-на. Еще одной особенностью этого диап-на является возможность создания направленного излучения РВ, что позволяет уменьшить излучение вдоль земной поверхности и, следовательно, уменьшить потери энергии.

Для связи ионосферной волной в КВ-диапазоне необходимо вып-е двух условий: 1.) волны должны отражаться от ионосферы (И); 2) они не должны сильно поглощаться в слоях И.

Эти условия влияют, прежде всего, на выбор рабочих частот.

Для отражения волны необходимо, чтобы электронная плотность И. была достаточной. Рабочая частота f  , при которой волны отразятся от ионосферы при заданной электронной плотности N Э и угле падения  0 равна:

(10)

Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона. Нижняя граница рабочего диапазона определяется степенью поглощения КВ в И.. В диап-не КВ уменьшение поглощения происходит с повышением частоты. Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия получения в некоторой точке пространства достаточной для приёма напряжённости ЭМ поля при данной мощности передатчика. Электронная плотность И. меняется в течение суток, поэтому днём рабочий диапазон волн 10-25м, ночью 35-100м. Необходимость правильного выбора длины волны усложняет организацию радиосвязи.

Для КВ радиолиний характерна ещё одна особенность – наличие так называемой зоны молчания. Зоной молчания (ЗМ) называют кольцевую область вокруг передатчика, в пределах которой невозможен приём РВ. Наличие ЗМ объясняется тем, что земные радиоволны 1 быстро затухают, а ИВ 2 приходят в некоторую точку земной поверхности на значительном удалении от радиопередатчика, т.к. для ИВ, падающих под малыми углами на И. не выполняется условие отражения (10) и они (рис. 19) уходят в космическое пространство. Пределы зоны молчания зависят от рабочей длины волны и уровня электронной плотности. Днём при связи на волнах в 10-25м ЗМ достигает 1000км, а ночью при связи на волнах 35-100м ширина ЗМ уменьшается до нескольких сот км. С увеличением мощности передатчика ЗМ так же уменьшается.

При распространении КВ, так же, как и в средневолновом диапазоне наблюдается явление случайного изменения во времени уровня сигнала, т.е. замирание. Сущ-ют замирания быстрые и медленные.

РИСУНОК 20

Быстрые замирания являются следствием многолучевого распространения РВ (рис 20а). Прежде всего причиной замираний служит приход в точку приёма РВ претерпевших одно и двукратное отражение от И.. Радиоволны 2 и 3 проходят разные пути, поэтому их фазы неодинаковы. Кроме того, изменение электронной плотности И. приводит к изменению длины пути каждой волны. Такие изменения происходят непрерывно, поэтому колебание напряж-ти эл. поля в диап-не КВ являются частыми и глубокими. Замирания радиосигналов вызываются также рассеянием РВ на неоднородностях И.(рис 20б) и интерференции рассеянных волн. ИВ-на КВ-диап-на под действием м. поля земли распадается на две составляющие – обыкновенную и необыкновенную, распространяющиеся с разными фазовыми скоростями (рис 20в). Интерференция составляющих магниторасщеплённой волны также приводит к замираниям. При отражениях от И. наблюдается также поворот плоскости поляризации волны. Если приёмная антенна принимает волны одной поляризации, то случайные изменения поляризации РВ-ны приведет к колебаниям уровня входящего сигнала. Все указанные причины замирания сигнала как правило действуют одновременно. Изменение поглощения РВ в И. также вызывает замирание, по времени проявления они медленнее.

Для борьбы с замираниями применяют направленные антенны, организуют приём радиоволн на разнесённые антенны, т.к. величина разноса порядка 10 обеспечивает надёжный приём. Эффективным является разнесение антенн по поляризации, т.е. приём РВ на две антенны, имеющие взаимно перпендикулярную поляризацию. При благоприятных условиях распространения КВ могут огибать земной шар один или несколько раз.

Тогда в точке приёма помимо основного сигнала с некоторым опозданием (0.1с) возможно появление такого же сигнала. Это явление, называемое радиоэхо ухудшает качество приёма радиосигналов. КВ нашли широкое и весьма многообразное применение прежде всего в организации дальней связи для радионавигации и радиовещания, в целях радиолокации для загоризонтного обнаружения объектов.

Распространение УКВ

К УКВ относят сравнительно большой диапазон волн =10-0.001м. Диапазон УКВ делят на поддиапазоны метровых (МВ), дециметровых (СМ), сантиметровых (СМ) и миллиметровых (ММ) волн. Каждый из поддиапазонов имеет свои особенности распространения, однако существуют общеосновные положения, свойственные всему диап-ну УКВ. Условия распространения УКВ определяются прежде всего свойствами трассы. УКВ слабо дифрагируют вокруг выпуклой поверхности Земли и крупных неровностей на ней и по этой причине распространяются на расстояния лишь незначительно превышающие дальность прямой видимости. Для того чтобы увеличить дальность УКВ-связи и уменьшить влияние окружающих антенну неровностей радиолинии стремятся поднять над земной поверхностью по возможности выше. Дальность действия радиолинии при этом с учётом атмосферной рефракции, определяется формулой

, (11)

где h 1 , h 2 - высота поднятия антенн в метрах, D – дальность радиолинии в км. Если протяжённость УКВ радиолинии много меньше предельно возможной дальности прямой видимости, то сферичность Земли, рефракция в тропосфере не влияют на распространение РВ. Для подобных радиолиний характерны большая устойчивость и неизменность уровня радиосигнала во времени, если передатчик и приёмник стационарные. Если хотя бы один из абонентов УКВ радиолинии является подвижным объектом, то уровень радиосигнала меняется во времени вследствие изменении угла наблюдения при движении объекта и изрезанности (?) зоны излучения стационарной передающей антенны.

Если протяжённость УКВ радиолинии превышает пределы прямой видимости, то на качество её работы влияет сферичность Земли, явление рефракции, а также метеорологические условия. Сферичность Земли оказывает заметное ослабляющее действие, а тропосферная рефракция большей частью улучшает условия приёма. При нормальной тропосферной рефракции протяж-ть УКВ радиолинии может превышать пределы прямой видимости на 15. ДЛЯ наземных радиолиний с низко расположенными антеннами максимальная дальность распространения УКВ не превышает нескольких км. С антеннами, поднятыми на высоту порядка 20-25м максимальная дальность составляет 40-60 км. Для самолётов, летящих на средних высотах она равна 300-400 км. При распространении УКВ над пересечённой местностью препятствия ослабляют сигналы в том случае, если они перекрывают линию прямой видимости между антеннами приёмо-передающих устройств.

Вместе с тем, на трассах УКВ в горных условиях наблюдается явление улучшения распространения РВ. Например, на трассах протяжённостью 100-150 км проходящих через горы высотой 1-2 км наблюдается явление усиления препятствием. Это явление заключается в том, что интенсивность ЭМ поля радиоволны при некотором удалении за препятствие оказывается больше, чем в случае распространения без препятствия. Объясняется это тем, что вершина горы служит естественным пассивным ретранслятором.

Поле, возбуждающее вершину горы складывается из прямой волны 1 и отражённой волны 2. Волны дифрагируют на острой вершине и распространяются в область за гору. К месту расположения приёмной антенны А2 приходят волны 3 и 4, сумма которых значительно превышает уровень сигнала в этой точке пространства при распространении РВ без препятствия. Явление усиления препятствием экономически выгодно и позволяет организовать радиолинию в горах без ретрансляционной станции.

Распространение УКВ на большие расстояния (до 200-1000 км) возможно путём рассеяния на неоднородностях тропосферы, которые действуют как вторичные излучатели. Поле, создаваемое вблизи земной поверхности есть результат интерференции полей, переизлучённых большим числом неоднородностей. На неоднородностях тропосферы хорошо рассеиваются волны см. и дм. диап-нов. Волны метрового диап-на переизлучаются неоднородностями ионосферы.

Максимальная протяжённость радиолинии, использующей ионосферные волны метрового диап-на достигает 2000-2300 км. Такая радиосвязь имеет большое преим-во перед коротковолновыми линиями связи в возможности круглосуточной работы на одной частоте без заметных нарушений связи.

Сверхдальняя связь на УКВ может быть основана на использовании явления сверхрефракции в тропосфере. Если область сверхрефракции занимает значительный объём над земной поверхностью, то при этом обеспечивается распространение УКВ на большие расстояния в условиях, так называемого, тропосферного волновода. Такая связь имеет недостатки: 1) приём радиоволн возможен, если приёмник и передатчик находятся в пределах волновода; 2) нерегулярное появление волноводов не может обеспечить устойчивую связь на больших расстояниях.

Явление сверхрефракции имеет и негативную сторону. Оно может служить причиной взаимных помех, создаваемых станциями, работающими в см-ровом диап-не, а также помех радиолокационным станциям обнаружения воздушных объектов.

УКВ широко применяются на космических радиолиниях, подразделяющихся на виды Земля-космос и космос-космос. Межпланетная плазма оказывает слабое поглощающее или рассеивающее воздействие на радиоволны. На р/линии Земля-космос решающее значение имеет ослабление сигналов из-за большой протяжённости трассы и поглощения в атмосфере Земли. Для космических систем связи оптимальными являются волны длиной от 3 до 10 см.

В современных линиях радиосвязи УКВ занимают особое место, т.к. обладают рядом преимуществ по сравнению с РВ-нами других диап-нов:

1.Диапазон УКВ занимает очень широкий спектр частот, что позволяет разместить в нём большое количество одновременно работающих без взаимных помех радиосредств, а также маневрировать их рабочей длиной волны.

2.В диап-не УКВ возможно создание широкополосных радиолиний, таких как телевизионные линии или широкополосные радиолинии с ЧМ.

3.Применение УКВ позволяет сравнительно легко осуществлять остронаправленное излучение и приём радиоволн с помощью антенн относит-но небольших размеров.

4.Радиоприём на УКВ в меньшей степени подвержен воздействию атмосферных и промышленных помех.

5.Ограничение дальности распространения УКВ обеспечивает относительную скрытность передачи информации.

МВ и ДМВ используют для передачи ТВ изображений, для радиосвязи самолётов между собой и с наземными пунктами. См-ровые волны прим-ся для линий связи широкого назнач-я, для такой же связи применяются и мм-ровые волны.

Излучаемые передатчиком, прежде чем попасть в приёмник, проходят путь, который может быть сложным. Радиоволны могут достигать пункта приёма, распространяясь по прямолинейным траекториям, огибая выпуклую поверхность Земли, отражаясь от ионосферы, и т.д. Способы Распространение радиоволн существенно зависят от длины волны l, от освещённости земной атмосферы Солнцем и от ряда др. факторов (см. ниже).

Прямые волны. В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно с постоянной скоростью, подобно световым лучам (радиолучи). Такое Распространение радиоволн называется свободным. Условия Распространение радиоволн в космическом пространстве при радиосвязи между наземной станцией и космическим объектом, между двумя космическими объектами, при радиоастрономических наблюдениях, при радиосвязи наземной станции с самолётом или между самолётами близки к свободному.

Волну, излученную антенной, на больших расстояниях от неё можно считать плоской (см. Излучение и приём радиоволн ). Плотность потока электромагнитной энергии, пропорциональная квадрату напряжённости поля волны, убывает с увеличением расстояния r от источника обратно пропорционально r 2 , что приводит к ограничению расстояния, на котором может быть принят сигнал передающей станции. Дальность действия радиостанции (при отсутствии поглощения) равна: , где c - мощность сигнала на входе приёмника, Р ш - мощность шумов, G 1 , G 2 - коэффициенты направленного действия передающей и приёмной антенн. Скорость Распространение радиоволн в свободном пространстве равна скорости света в вакууме: с = 300 000 км /сек.

При распространении волны в материальной среде (например, в земной атмосфере, в толще Земли, в морской воде и т.п.) происходят изменение её фазовой скорости и поглощение энергии. Это объясняется возбуждением колебаний электронов и ионов в атомах и молекулах среды под действием электрического поля волны и переизлучением ими вторичных волн. Если напряжённость поля волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на электрон в атоме, то колебания электрона под действием поля волны происходят по гармоническому закону с частотой пришедшей волны. Поэтому электроны излучают радиоволны той же частоты, но с разными амплитудами и фазами. Сдвиг фаз между первичной и переизлучённой волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами являются причиной поглощения радиоволн. Поглощение и изменение фазовой скорости в среде характеризуются показателем поглощения c и показателем преломления n , которые, в свою очередь, зависят от диэлектрической проницаемости e и проводимости s среды, а также от длины волны l:

(1)

Коэффициент поглощения b = 2pc/l, фазовая скорость u = c /n . В этом случае r д определяется не только характеристиками передатчика, приёмника и длиной волны, но и свойствами среды (e, s). В земных условиях Распространение радиоволн обычно отличается от свободного. На Распространение радиоволн оказывают влияние поверхность Земли, земная атмосфера, структура ионосферы и т.д. Влияние тех или иных факторов зависит от длины волны.

Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн зависит от расположения радиотрассы относительно её поверхности.

Распространение радиоволн - пространственный процесс, захватывающий большую область. Но наиболее существенную роль в этом процессе играет часть пространства, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах которого А и В расположены передатчик и приёмник (рис. 1 ). Большая ось эллипсоида практически равна расстоянию R между передатчиком и приёмником, а малая ось ~. Чем меньше l, тем уже эллипсоид, в оптическом диапазоне он вырождается в прямую линию (световой луч). Если высоты Z 1 и Z 2 , на которых расположены антенны передатчика и приёмника относительно поверхности Земли, велики по сравнению с l, то эллипсоид не касается поверхности Земли (рис. 1 , а). Поверхность Земли не оказывает в этом случае влияния на Распространение радиоволн (свободное распространение). При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы эллипсоид коснётся поверхности Земли (рис. 1 , б) и на прямую волну, идущую от передатчика к приёмнику, належится поле отражённой волны. Если при Z 1 >> l и Z 2 >> l, то это поле можно рассматривать как луч, отражённый земной поверхностью по законам геометрической оптики. Поле в точке приёма определяется интерференцией прямого и отражённого лучей. Интерференционные максимумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля (рис. 2 ). Условие Z 1 и Z 2 >> l практически может выполняться только для метровых и более коротких волн, поэтому лепестковая структура поля характерна для ультракоротких волн (УКВ).

При увеличении l существенная область расширяется и пересекает поверхность Земли. В этом случае уже нельзя представлять волновое поле как результат интерференции прямой и отражённой волн. Влияние Земли на Распространение радиоволн в этом случае обусловлено несколькими факторами: земля обладает значительной электропроводностью, поэтому Распространение радиоволн вдоль поверхности Земли приводит к тепловым потерям и ослаблению волны. Потери энергии в земле увеличиваются с уменьшением l.

Помимо ослабления, происходит также изменение структуры поля волны. Если антенна у поверхности Земли излучает поперечную линейно-поляризованную волну (см. Поляризация волн ), у которой напряжённость электрического поля Е перпендикулярна поверхности Земли, то на больших расстояниях от излучателя волна становится эллиптически поляризованной (рис. 3 ). Величина горизонтальной компоненты E x значительно меньше вертикальной E z и убывает с увеличением проводимости s земной поверхности. Возникновение горизонтальной компоненты позволяет вести приём земных волн на т. н. земные антенны (2 проводника, расположенные на поверхности Земли или на небольшой высоте). Если антенна излучает горизонтально-поляризованную волну (Е параллельно поверхности Земли), то поверхность Земли ослабляет поле тем больше, чем больше s, и создаёт вертикальную составляющую. Уже на небольших расстояниях от горизонтального излучателя вертикальная компонента поля становится больше горизонтальной. При распространении вдоль Земли фазовая скорость земных волн меняется с расстоянием, однако уже на расстоянии ~ нескольких l от излучателя она становится равной скорости света, независимо от электрических свойств почвы.

Выпуклость Земли является своеобразным «препятствием» на пути радиоволн, которые, дифрагируя, огибают Землю и проникают в «область тени». Т. к. дифракция волн заметно проявляется тогда, когда размеры препятствия соизмеримы или меньше l, а размер выпуклости Земли можно охарактеризовать высотой шарового сегмента h (рис. 4 ), отсекаемого плоскостью, которая проходит через хорду, соединяющую точки расположения приёмника и передатчика (см. табл.), то условие h << l выполняется для метровых и более длинных волн. Если учесть, что с уменьшением l увеличиваются потери энергии в Земле, то практически только километровые и более длинные волны могут проникать глубоко в область тени (рис. 5 ).

Высота шарового сегмента h для различных расстояний между передатчиком и приёмником

Расстояние, км	1	5	10	50	100	500	1000	5000
h, м	0,03	0,78	3,1	78	310	7800	3,1´10 4	3,75´10 4

Земная поверхность неоднородна, наиболее существенное влияние на Распространение радиоволн оказывают электрические свойства участков трассы, примыкающих к передатчику и приёмнику. Если радиотрасса пересекает линию берега, т. е. проходит над сушей, а затем над морем (s ® ¥) , то при пересечении береговой линии резко изменится напряжённость поля (рис. 6 ), т. е. амплитуда и направление распространения волны (береговая рефракция). Однако береговая рефракция является местным возмущением поля радиоволны, уменьшающимся по мере удаления от береговой линии.

Рельеф земной поверхности также влияет на Распространение радиоволн Это влияние зависит от соотношения между высотой неровностей поверхности h , горизонтальной протяжённостью l , l и углом падения q волны на поверхность (рис. 7 ). Если выполняются условия:

4p 2 l 2 sin 2 q/l 2 £ 1; 2psin q << 1, (2)

то неровности считаются малыми и пологими. В этом случае они мало влияют на Распространение радиоволн При увеличении q условия (2) могут нарушаться. При этом энергия волны рассеивается, и напряжённость поля в направлении отражённого луча уменьшается (возникают диффузные отражения).

Высокие холмы, горы и т.п., кроме того, сильно «возмущают» поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению волны из-за интерференции прямых и отражённых от поверхности Земли волн (рис. 8 ).

Распространение радиоволн в тропосфере. Рефракция радиоволн. Земные радиоволны распространяются вдоль поверхности Земли в тропосфере . Проводимость тропосферы s для частот, соответствующих радиоволнам (за исключением миллиметровых волн), практически равна 0; диэлектрическая проницаемость e и, следовательно, показатель преломления n являются функциями давления и температуры воздуха, а также давления водяного пара. У поверхности Земли n » 1,0003. Изменение e и n с высотой зависит от метеорологических условий. Обычно e и n уменьшаются, а фазовая скорость u растет с высотой. Это приводит к искривлению радиолучей (рефракция радиоволн, рис. 9 ). Если в тропосфере под углом к горизонту распространяется волна, фронт которой совпадает с прямой ав (рис. 9 ), то вследствие того, что в верхних слоях тропосферы волна распространяется с большей скоростью, чем в нижних, верхняя часть фронта волны обгоняет нижнюю и фронт волны поворачивается (луч искривляется). Т. к. n с высотой убывает, то радиолучи отклоняются к Земле. Это явление, называется нормальной тропосферной рефракцией, способствует Распространение радиоволн за пределы прямой видимости, т.к. за счёт рефракции волны могут огибать выпуклость Земли. Однако практически этот эффект может играть роль только для УКВ, поскольку для более длинных волн преобладает огибание в результате дифракции. Метеорологические условия могут ослаблять или усиливать рефракцию по сравнению с нормальной.

Тропосферный волновод. При некоторых условиях (например, при движении нагретого воздуха с суши над поверхностью моря) температура воздуха с высотой не уменьшается, а увеличивается (инверсии температуры). При этом преломление в тропосфере может стать столь сильным, что вышедшая под небольшим углом к горизонту волна на некоторой высоте изменит направление на обратное и вернётся к Земле. В пространстве, ограниченном снизу Землёй, а сверху как бы отражающим слоем тропосферы, волна может распространяться на очень большие расстояния (волноводное распространение радиоволн). Так же как в металлических радиоволноводах , в тропосферных волноводах могут распространяться волны, длина которых меньше критической (l кр » 0,085 d 3 / 2 , d - высота волновода в м , l кр в см ). Толщина слоев инверсии в тропосфере обычно не превышает ~ 50-100 м , поэтому волноводным способом могут распространяться только дециметровые, сантиметровые и более короткие волны.

Рассеяние на флуктуациях e. Помимо регулярных изменений e с высотой, в тропосфере существуют нерегулярные неоднородности (флуктуации) e, возникающие в результате беспорядочного движения воздуха. На них происходит рассеяние радиоволн УКВ диапазона. Т. о., область пространства, ограниченная диаграммами направленности приёмной и передающей антенн и содержащая большое число неоднородностей e, является рассеивающим объёмом. Рассеяние приводит к флуктуациям амплитуды и фазы радиоволны, а также к распространению УКВ на расстояния, значительно превышающие прямую видимость (рис. 10 ). При этом поле в точке приёма В образуется в результате интерференции рассеянных волн. Вследствие интерференции большого числа рассеянных волн возникают беспорядочные изменения амплитуды и фазы сигнала. Однако среднее значение амплитуды сигнала значительно превышает амплитуду, которая могла бы быть обусловлена нормальной тропосферной рефракцией.

Поглощение радиоволн. Тропосфера прозрачна для всех радиоволн вплоть до сантиметровых. Более короткие волны испытывают заметное ослабление в капельных образованиях (дождь, град, снег, туман), в парах воды и газах атмосферы. Ослабление обусловлено процессами поглощения и рассеяния. Каждая капля воды обладает значительной проводимостью и волна возбуждает в ней высокочастотные токи. Плотность токов пропорциональна частоте, поэтому значительные токи, а следовательно, и тепловые потери, возникают только при распространении сантиметровых и более коротких волн. Эти токи вызывают не только тепловые потери, но являются источниками вторичного рассеянного излучения, ослабляющего прямой сигнал. Плотность потока рассеянной энергии обратно пропорциональна l 4 , если размер рассеивающей частицы d < l, и не зависит от l, если d >> l (см. Рассеяние света ). Практически через область сильного дождя или тумана волны с l < 3 см распространяться не могут. Волны короче 1,5 см , помимо этого, испытывают резонансное поглощение в водяных парах (l = 1,5 см ; 1,35 см ; 0,75 см ; 0,5 см ; 0,25 см ) и кислороде (l = 0,5 см и 0,25 см ). Энергия распространяющейся волны расходуется в этом случае на ионизацию или возбуждение атомов и молекул. Между резонансными линиями имеются области малого поглощения.

Распространение радиоволн в ионосфере. В ионосфере - многокомпонентной плазме , находящейся в магнитном поле Земли, механизм Распространение радиоволн сложнее, чем в тропосфере. Под действием радиоволны в ионосфере могут возникать как вынужденные колебания электронов и ионов, так и различные виды коллективных собственных колебаний (плазменные колебания). В зависимости от частоты радиоволны w основную роль играют те или другие из них и поэтому электрические свойства ионосферы различны для различных диапазонов радиоволн. При высокой частоте w в Распространение радиоволн принимают участие только электроны, собственная частота колебаний которых (Ленгмюровская частота) равна:

(3)

где е - заряд, m - масса, - концентрация электронов. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы, в отличие от электронов тропосферы, тесно связанных с атомами, отстают от электрического поля высокочастотной волны по фазе почти на 2p. Такое смещение электронов усиливает поле Е волны в ионосфере (рис. 11 ). Поэтому диэлектрическая проницаемость e, равная отношению напряжённости внешнего поля к напряжённости поля внутри среды, оказывается для ионосферы < 1: e = 1 - w 2 0 /w 2 . Учёт столкновений электронов с атомами и ионами даёт более точные формулы для e и s ионосферы:

, (4)

где n - число столкновений в секунду.

Для высоких частот, начиная с коротких волн, в большей части ионосферы справедливо соотношение: w 2 >> n 2 и показатели преломления n и поглощения c равны:

; (5)

С увеличением частоты c уменьшается, а n растет, приближаясь к 1. Т. к. n < 1, фазовая скорость распространения волны . Скорость распространения энергии (групповая скорость волны) в ионосфере равна с ×n и в соответствии с относительности теорией меньше с.

Отражение радиоволн. Для волны, у которой w < w 0 n и u становятся мнимыми величинами, это означает, что такая волна не может распространяться в ионосфере. Поскольку концентрация электронов и плазменная частота w 0 в ионосфере увеличиваются с высотой (рис. 12 ), то падающая волна, проникая в ионосферу, распространяется до такого уровня, при котором показатель преломления обращается в нуль. На этой высоте происходит полное отражение волны от слоя ионосферы. С увеличением частоты падающая волна всё глубже проникает в слой ионосферы. Максимальная частота волны, которая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, называется критической частотой слоя:

(6)

Критическая частота слоя 2 (главный максимум, рис. 12 ) изменяется в течение суток и от года к году приблизительно от 5 до 10 Мгц. Для волн с частотой w > w кр n всюду > 0, т. е. волна проходит через слой, не отражаясь.

При наклонном падении волны на ионосферу максимальная частота волны, возвращающейся на Землю, оказывается выше w кр. Радиоволна, падающая на ионосферу под углом j 0 , испытывая рефракцию, поворачивается к Земле на той высоте, где j(z ) = p/2. Условие отражения при наклонном падении имеет вид: n (z ) = sinj 0 . Частоты волн, отражающихся от данной высоты при наклонном и вертикальном падении, связаны соотношением: w накл = w верт secj 0. Максимальная частота волны, отражающейся от ионосферы при данном угле падения, т. е. для данной длины трассы, называется максимальной применимой частотой (МПЧ).

Двойное лучепреломление. Существенное влияние на Распространение радиоволн оказывает магнитное поле Земли 0 = 0,5 э, пронизывающее ионосферу. В постоянном магнитном поле ионизированный газ становится анизотропной средой. Попадающая в ионосферу волна испытывает двойное лучепреломление , т. е. расщепляется на 2 волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. В магнитном поле H 0 на электрон, движущийся со скоростью u, действует Лоренца сила , под действием которой электрон вращается с частотой (гироскопическая частота) вокруг силовых линий магнитного поля. Вследствие этого изменяется характер вынужденных колебаний электронов ионосферы под действием электрического поля волны.

В простейшем случае, когда направление Распространение радиоволн перпендикулярно H 0 (Е лежит в одной плоскости с H 0), волну можно представить в виде суммы 2 волн с Е ^ Н 0 и Е || Н 0 . Для первой волны (необыкновенной) характер движения электронов и, следовательно, n изменяются, для второй (обыкновенной) они остаются такими же, как и в отсутствии магнитного поля:

; (7)

В случае произвольного направления Распространение радиоволн относительно магнитного поля Земли формулы более сложные: как n 1 , так и n 2 зависят от w H . Поскольку отражение радиоволны происходит от слоя, где n = 0, то обыкновенная и необыкновенная волны отражаются на разной высоте. Критические частоты для них также различны.

По мере Распространение радиоволн в ионосфере из-за различия в скорости накапливается сдвиг фаз между волнами, вследствие чего поляризация результирующей волны непрерывно изменяется. Линейная поляризация падающей волны в определённых условиях сохраняется, но плоскость поляризации при распространении поворачивается (см. Вращение плоскости поляризации ). В общем случае поляризация обеих волн эллиптическая.

Рассеяние радиоволн. Помимо регулярной зависимости электронной концентрации от высоты (рис. 12 ), в ионосфере постоянно происходят случайные изменения концентрации. Ионосферный слой содержит большое число неоднородных образований различного размера, которые находятся в постоянном движении и изменении, рассасываясь и возникая вновь. Вследствие этого в точку приёма, кроме основного отражённого сигнала, приходит множество рассеянных волн (рис. 13 ), сложение которых приводит к замираниям - хаотическим изменениям сигнала.

Существование неоднородных образований приводит к возможности рассеянного отражения радиоволн при частотах, значительно превышающих максимальные частоты отражения от регулярной ионосферы. Аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы это явление обусловливает дальнее Распространение радиоволн (метрового диапазона).

Характерные неоднородные образования возникают в ионосфере при вторжении в неё метеоритов . Испускаемые раскалённым метеоритом электроны ионизируют окружающую среду, образуя за летящим метеоритом след, диаметр которого вследствие молекулярной диффузии быстро возрастает. Ионизированные следы создаются в интервале высот 80-120 км , длительность их существования колеблется от 0,1 до 100 сек. Радиоволны зеркально отражаются от метеорного следа. Эффективность этого процесса зависит от массы метеорита.

Нелинейные эффекты. Для сигналов не очень большой мощности две радиоволны распространяются через одну и ту же область ионосферы независимо друг от друга (см. Суперпозиции принцип ), ионосфера является линейной средой. Для мощных радиоволн, когда поле Е волны сравнимо с характерным «плазменным полем» E p ионосферы, e и s начинают зависеть от напряжённости поля распространяющейся волны. Нарушается линейная связь между электрическим током и полем Е.

Нелинейность ионосферы может проявляться в виде перекрёстной модуляции 2 сигналов (Люксембург - Горьковский эффект ) и в «самовоздействии» мощной волны, например в изменении глубины модуляции сигнала, отражённого от ионосферы.

Особенности распространения радиоволн различного диапазона в ионосфере. Начиная с УКВ волны, частота которых выше максимально применимой частоты (МПЧ), проходят через ионосферу. Волны, частота которых ниже МПЧ, отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю. Такие радиоволны называются ионосферными, используются для дальней радиосвязи на Земле. Диапазон ионосферных волн снизу по частоте ограничен поглощением. Поэтому связь при помощи ионосферных волн осуществляется в диапазоне коротких волн и в ночные часы (уменьшается поглощение) в диапазоне средних волн. Дальность Распространение радиоволн при одном отражении от ионосферы ~ 3500-4000 км , т.к. угол падения j на ионосферу из-за выпуклости Земли ограничен: наиболее пологий луч касается поверхности Земли (рис. 14 ). Связь на большие расстояния осуществляется за счёт нескольких отражений от ионосферы (рис. 15 ).

Длинные и сверхдлинные волны практически не проникают в ионосферу, отражаясь от её нижней границы, которая является как бы стенкой сферического радиоволновода (второй стенкой волновода служит Земля). Волны, излучаемые антенной в некоторой точке Земли, огибают её по всем направлениям, сходятся на противоположной стороне. Сложение волн вызывает некоторое увеличение напряжённости поля в противолежащей точке (эффект антипода, рис. 16 ).

Радиоволны звуковых частот могут просачиваться через ионосферу вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Распространяясь вдоль магнитной силовой линии, волна уходит на расстояние, равное нескольким земным радиусам, и затем возвращается в сопряжённую точку, расположенную в др. полушарии (рис. 17 ). Разряды молний в тропосфере являются источником таких волн. Распространяясь описанным способом, они создают на входе приёмника сигнал с характерным свистом (свистящие атмосферики ).

Для радиоволн инфразвуковых частот, частота которых меньше гироскопической частоты ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая нейтральная жидкость, движение которой описывается уравнениями гидродинамики . Благодаря наличию магнитного поля Земли любое смещение проводящего вещества, создающее электрический ток, сопровождается возникновением сил Лоренца, изменяющих состояние движения. Взаимодействие между механическими и электромагнитными силами приводит к перемещению случайно возникшего движения в ионизированном газе вдоль магнитных силовых линий, т. е. к появлению магнито-гидродинамических (альфвеновских) волн, которые распространяются вдоль магнитных силовых линий со скоростью 4,5×10 4 м /сек (r - плотность ионизированного газа).

Космическая радиосвязь. Когда один из корреспондентов находится на Земле, диапазон длин волн, пригодных для связи с космическим объектом, определяется условиями прохождения через атмосферу Земли. Т. к. радиоволны, частота которых < МПЧ (5-30 Мгц ), не проходят через ионосферу, а волны с частотой > 6-10 Ггц поглощаются в тропосфере, то волны от космического объекта могут приниматься на Земле при частотах от ~ 30 Мгц до 10 Ггц. Однако и в этом диапазоне атмосфера Земли не полностью прозрачна для радиоволн. Вращение плоскости поляризации при прохождении через ионосферу при приёме на обычную антенну приводит к потерям, которые уменьшаются с ростом частоты. Только при частотах > 3 Ггц ими можно пренебречь (рис. 18 ). Эти условия определяют диапазон радиоволн для дальней связи на УКВ при использовании спутников.

Для связи с объектами, находящимися на др. планетах, необходимо учитывать поглощение и в атмосфере этих планет. При осуществлении связи между 2 космическими кораблями, находящимися вне атмосферы планет, особенное значение приобретают миллиметровые и световые волны, обеспечивающие наибольшую ёмкость каналов связи (см. Оптическая связь ). Сведения о процессах Распространение радиоволн в космическом пространстве даёт радиоастрономия .

Подземная и подводная радиосвязь. Земная кора, а также воды морей и океанов обладают проводимостью и сильно поглощают радиоволны. Для осадочных пород в поверхностном слое земной коры s » 10 -3 -10 -2 ом -1 м -1 . В этих средах волна практически затухает на расстоянии £ l. Кроме того, для сред с большой s коэффициент поглощения увеличивается с ростом частоты. Поэтому для подземной радиосвязи используются в основном длинные и сверхдлинные волны. В подводной связи наряду со сверхдлинными волнами используют волны оптического диапазона.

В системах связи между подземными или подводными пунктами может быть использовано частичное распространение вдоль поверхности Земли или моря. Вертикально поляризованная волна, возбуждаемая подземной передающей антенной, распространяется до поверхности Земли, преломляется на границе раздела между Землёй и атмосферой, распространяется вдоль земной поверхности и затем принимается подземной приёмной антенной (рис. 19 ). Глубина погружения антенн достигает десятков м. Системы этого типа обеспечивают дальность до нескольких сотен км и применяются, например, для связи между подземными пунктами управления при запуске ракет. Системы др. типа используют подземные волноводы - слои земной коры, обладающие малой проводимостью и, следовательно, малыми потерями. К таким породам относятся каменная соль , поташ и др. Эти породы залегают на глубинах до сотен м и обеспечивают дальность Распространение радиоволн до нескольких десятков км. Дальнейшим развитием этого направления является использование твёрдых горных пород (гранитов, гнейсов, базальтов и др.), расположенных на больших глубинах и имеющих малую проводимость (рис. 20 ). На глубине 3-7 км s может уменьшиться до 10 -11 ом -1 м -1 . При дальнейшем увеличении глубины благодаря возрастанию температуры создаётся ионизация (обращенная ионосфера) и проводимость увеличивается. Образуется подземный волновод толщиной в несколько км , в котором возможно Распространение радиоволн на расстоянии до нескольких тыс. км. Одна из основных проблем подземной и подводной связи - расчёт излучения и передачи энергии от антенн , расположенных в проводящей среде.

Преимущество систем подземной связи состоит в их независимости от бурь, ураганов и искусственных разрушений на поверхности Земли. Кроме того, благодаря экранирующему действию верхних проводящих осадочных пород системы подземной связи обладают высокой помехозащищенностью от промышленных и атмосферных шумов.

Лит.: Фейнберг Е. Л., Распространение радиоволн вдоль земной поверхности, М., 1961; Альперт Я. Л., Распространение электромагнитных волн и ионосфера, М., 1972; Гуревич А. В., Шварцбург А. Б., Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере, М., 1973; Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973; Татарский В. И., Распространение волн в турбулентной атмосфере, М., 1967; Чернов Л. А., Распространение волн в среде со случайными неоднородностями, М., 1958; Гинзбург В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, М., 1967; Макаров Г. И., Павлов В. А., Обзор работ, связанных с подземным распространением радиоволн. Проблемы дифракции и распространения радиоволн, Сб. 5, Л., 1966; Долуханов М. П., Распространение радиоволн, 4 изд., М., 1972; Гавелей Н. П., Никитин Л. М., Системы подземной радиосвязи, «Зарубежная радиоэлектроника», 1963, № 10; Габиллард [Р.], Дегок [П.], Уэйт [Дж.], Радиосвязь между подземными и подводными пунктами, там же, 1972, № 12; Ратклифф Дж. А., Магнито-ионная теория и ее приложения к ионосфере, пер. с англ., М., 1962.
Рис. 19. Система подземной связи с частичным распространением радиоволн вдоль земной поверхности. Вторичные волны изображены условно.

Статья про слово "Распространение радиоволн " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 36675 раз

Радиочастотный диапазон и его использование для радиосвязи

2.1 Основы распространения радиоволн

Радиосвязь обеспечивает передачу информации на расстояние с помощью электромагнитных волн (радиоволн).

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т. п.).

Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.

Рис. 2.1 Структура электромагнитной волны.

Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей.

Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1Гц – это одно колебание в секунду, 1 МегаГерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны.

Длина волны (в метрах) рассчитывается по формуле:

, или примерно

где f – частота электромагнитного излучения в МГц.

Из формулы видно, что, например, частоте 1 МГц соответствует длина волны около 300 м. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением – увеличивается.

Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от поверхности. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации.

Еще одним полезным свойством электромагнитных волн (впрочем, как и всяких других волн) является их способность огибать тела на своем пути. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры тела меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить – вспомните «Stealth».

Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него, т.е. поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него.

Например, поток энергии электромагнитного излучения Солнца на поверхность Земли достигает 1 киловатта на квадратный метр, а поток энергии средневолновой вещательной радиостанции – всего тысячные и даже миллионные доли ватта на квадратный метр.

2.2 Распределение спектра радиочастот

Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимают спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0,1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой.

Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются.

Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты. Реально для целей радиосвязи используются колебания в частотном диапазон от 10 кГц до 100 ГГц. Использование для связи того или иного интервала частот зависит от многих факторов, в частности от условий распространения радиоволн разных диапазонов, требуемой дальности связи, реализуемости величин мощностей передатчиков в выбранном интервале частот и др.

Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны (табл. 1):

Таблица 1

№п.п.	Наименование диапазона			Границы диапазона
	Волн	Устарев-шие термины	Частот	Радиоволн	Частот
1	ДКМГМВДекаМега Метровые		Крайне низкие частоты (КНЧ)	100.000-10.000км	3-30 Гц
2	МГМВМегаметровые		Сверхнизкие частоты (СНЧ)	10.000-1.000 км	30-3.000Гц
3	ГКММВГектакилометровые		Инфранизкие частоты (ИНЧ)	1.000-100 км	0.3-3 кГц
4	МРМВМириаметровые	СДВ	Очень низкие частоты (ОНЧ) VLF	100-10 км	3-30кГц
5	КМВКилометровые	ДВ	Низкие частоты (НЧ) LF	10-1 км	30-300кГц
6	ГКМВГектаметровые	СВ	Средние частоты (СЧ) VF	1000-100м	0,3-3 МГц
7	ДКМВДекаметровые	КВ	Высокие частоты (ВЧ) HF	100-10м	3-30 МГц
8	МВМетровые	УКВ	Очень высокие частоты (ОВЧ) VHF	10-1м	30-300 МГц
9	ДЦМВДециметровые	УКВ	Ультравысокие частоты (УВЧ) UHF	10-1 дм	0.3-3 ГГц
10	СМВСантиметровые	УКВ	Сверхвысокие частоты (СВЧ) SHF	10-1 см	3-30 ГГц
11	ММВМиллиметровые	УКВ	Крайне высокие частоты (КВЧ) EHF	10-1 мм	30-300 ГГц
12	ДЦММВДецимилли- метровые Субмилли- метровые	СУММВ	Гипервысокие частоты (ГВЧ)	1-0,1 мм	0,3-3 ТГц
13	Световые			< 0,1 мм	> 3 ТГц

Рис. 2.2 Пример распределения спектра между различными службами.

Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.

Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота).

Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну.

Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи.

Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.

Еще в 1902году английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой.

Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923 году. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения.

2.3 Влияние атмосферы на распространение радиоволн

Характер распространения радиоволн зависит от длины волны, кривизны Земли, почвы, состава атмосферы, времени суток и года, состояния ионосферы, магнитного поля Земли, метеорологических условий.

Рассмотрим строение атмосферы, оказывающей существенное влияние на распространение радиоволн. В зависимости от времени суток и года изменяются содержание влаги и плотность воздуха.

Воздух, окружающий земную поверхность, образует атмосферу, высота которой составляет приблизительно 1000-2000 км. Состав земной атмосферы неоднороден.

Рис. 2.3 Строение атмосферы.

Слои атмосферы высотой примерно до 100-130 км по своему составу однородны. В этих слоях имеется воздух, содержащий (по объему) 78% азота и 21% кислорода. Нижний слой атмосферы толщиной 10-15 км (рис. 2.3) называется тропосферой . В этом слое имеются водяные пары, содержание которых резко колеблется с изменением метеорологических условий.

Тропосфера постепенно переходит в стратосферу . Границей считается высота, на которой прекращается падение температуры.

На высотах примерно от 60 км и выше над Землей под влиянием солнечных и космических лучей в атмосфере происходит ионизация воздуха: часть атомов распадается на свободные электроны и ионы . В верхних слоях атмосферы ионизация незначительна, так как газ очень разрежен (имеется небольшое число молекул в единице объема). По мере того как солнечные лучи проникают в более плотные слои атмосферы, степень ионизации увеличивается. С приближением к Земле энергия солнечных лучей падает, и степень ионизации опять уменьшается. Кроме того, в нижних слоях атмосферы вследствие большой плотности отрицательные заряды долго существовать не могут; происходит процесс восстановления нейтральных молекул.

Ионизация в разреженной атмосфере на высотах 60-80 км от Земли и выше сохраняется в течение длительного времени. На этих высотах атмосфера очень разрежена, плотность свободных электронов и ионов настолько низкая, что столкновение, а отсюда и восстановление нейтральных атомов происходит относительно редко.

Верхний слой атмосферы называется ионосферой. Ионизированный воздух оказывает существенное влияние на распространение радиоволн.

Днем образуется четыре регулярных слоя или максимума ионизации ‒ слои D , Е , F 1 и F 2 . Наибольшую ионизацию (наибольшее число свободных электронов в единице объема) имеет слой F 2 .

После захода Солнца ионизирующее излучение резко падает. Происходит восстановление нейтральных молекул и атомов, что приводит к уменьшению степени ионизации. Ночью полностью исчезают слои D и F 2 , ионизация слоя Е значительно уменьшается, а слой F 2 сохраняет ионизацию с некоторым ослаблением.

Рис. 2.4 Зависимость распространения радиоволн от частоты и времени суток.

Высота слоев ионосферы все время меняется в зависимости от интенсивности солнечных лучей. Днем высота ионизированных слоев меньше, ночью больше. Летом в наших широтах электронная концентрация ионизированных слоев больше, чем зимой (за исключением слоя F 2). Степень ионизации зависит также и от уровня солнечной активности, определяемой количеством пятен на Солнце. Период солнечной активности равен примерно 11 годам.

В полярных широтах наблюдаются нерегулярные процессы ионизации, связанные с так называемыми ионосферными возмущениями.

Имеется несколько путей, по которым радиоволна приходит к приемной антенне. Как уже отмечалось, радиоволны, распространяющиеся над поверхностью земли и огибающие ее вследствие явления дифракции, называются поверхностными или земными волнами (направление 1, рис. 2.5). Волны, распространяющиеся по направлениям 2 и 3, называются пространственными . Они делятся на ионосферные и тропосферные. Последние наблюдаются только в диапазоне УКВ. Ионосферными называются волны, отраженные или рассеянные ионосферой, тропосферными ‒ волны, отраженные или рассеянные неоднородными слоями или «зернами» тропосферы.

Рис. 2.5 Пути распространения радиоволн.

Поверхностная волна основанием своего фронта касается Земли, как показано на рис. 2.6. Эта волна при точечном источнике всегда имеет вертикальную поляризацию, так как горизонтальная составляющая волны поглощается Землей. При достаточном удалении от источника, выраженном в длинах волн, любой отрезок фронта волны является плоской волной.

Поверхность Земли поглощает часть энергии распространяющихся вдоль нее поверхностных волн, поскольку Земля имеет активное сопротивление.

Рис. 2.6 Распространение поверхностных волн.

Чем короче волна, т.е. чем больше частота, тем больший ток индуцируется в Земле и тем больше потери. Потери в Земле уменьшаются с увеличением проводимости почвы, так как волны проникают в Землю тем меньше, чем выше проводимость почвы. В Земле происходят и диэлектрические потери, которые также увеличиваются с укорочением волны.

Для частот выше 1 МГц поверхностная волна фактически сильно затухает из-за поглощения Землей и поэтому не используется, за исключением местной зоны действия. У телевизионных частот затухание настолько большое, что поверхностная волна может использоваться на расстояниях не больше 1-2 км от передатчика.

Связь на большие расстояния осуществляется главным образом пространственными волнами.

Чтобы получить преломление, т. е. возвращение волны на Землю, волна должна излучаться под определенным углом по отношению к земной поверхности. Наибольший угол излучения, при котором радиоволна данной частоты возвращается на землю, называется критическим углом для данного ионизированного слоя (рис. 2.7).

Рис. 2.7 Влияние угла излучения на прохождение пространственной волны.

Каждый ионизированный слой имеет свою критическую частоту и критический угол .

На рис. 2.7 показан луч, который легко преломляется слоем Е , так как луч входит под углом ниже критического угла этого слоя. Луч 3 проходит область Е , но возвращается на Землю слоем F 2 , потому что он входит под углом ниже критического угла слоя F 2 . Луч 4 также проходит слой Е . Он входит в слой F 2 при его критическом угле и возвращается на Землю. Луч 5 проходит обе области и теряется в пространстве.

Все лучи, изображенные на рис. 2.7, относятся к одной частоте. Если используется более низкая частота, требуются большие критические углы для обеих областей; наоборот, если частота увеличивается, обе области имеют меньшие критические углы. Если продолжать увеличивать частоту, то наступит момент, когда волна, распространяющаяся от передатчика параллельно Земле, будет превышать критический угол для любой области. Такое состояние получается на частоте около 30 МГц. Выше этой частоты связь пространственной волной становится ненадежной.

Итак, каждой критической частоте, соответствует свой критический угол, и, наоборот, каждому критическому углу соответствует своя критическая частота. Следовательно, любая пространственная волна, частота которой равна или ниже критической, будет на определенном удалении от передатчика возвращаться на Землю.

На рис. 2.7 луч 2 падает на слой Е при критическом угле. Обратите внимание, где отраженная волна падает на Землю (при превышении критического угла сигнал теряется); пространственная волна, дойдя до ионизированного слоя, отражается от него и возвращается на Землю на большом расстоянии от передатчика. На некотором расстоянии от передатчика, зависящем от мощности передатчика и длины волны, возможен прием поверхностной волны. От того места, где кончается прием поверхностной волны, начинается зона молчания и кончается она там, где появляется отраженная пространственная волна. Резкой границы зоны молчания не имеют.

Рис. 2.8 Зоны приема поверхностных и пространственных волн.

По мере возрастания частоты величина мертвой зоны увеличивается вследствие уменьшения критического угла. Для связи с корреспондентом на определенном расстоянии от передатчика в определенные время суток и времена года существует максимальная допустимая частота , которая может быть использована для связи пространственной волной. Каждая ионосферная область имеет свою максимальную допустимую частоту для связи.

Короткие и, тем более, ультракороткие волны в ионосфере теряют незначительную часть своей энергии. Чем выше частота, тем меньший путь проходят электроны при своих колебаниях, вследствие чего уменьшается число их столкновений с молекулами, т. е. уменьшаются потери энергии волны.

В более низких ионизированных слоях потери больше, так как повышенное давление свидетельствует о большей плотности газа, а при большей плотности газа вероятность столкновения частиц возрастает.

Длинные волны отражаются от нижних слоев ионосферы, имеющих наименьшую концентрацию электронов, при любых углах возвышения, в том числе и близких к 90°. Почва средней влажности является почти проводником для длинных волн, поэтому они хорошо отражаются от Земли. Многократным отражением от ионосферы и Земли объясняется дальнее распространение длинных волн.

Распространение длинных волн не зависит от времени года и метеорологических условий, от периода солнечной активности и от ионосферных возмущений. При отражении от ионосферы длинные волны претерпевают большое поглощение. Вот почему для связи на большие расстояния необходимо иметь передатчики большой мощности.

Средние волны заметно поглощаются в ионосфере и почве плохой и средней проводимости. Днем наблюдается только поверхностная волна, так как пространственная волна (длиннее 300 м) практически полностью поглощается в ионосфере. Для полного внутреннего отражения средние волны должны пройти некоторый путь в нижних слоях ионосферы, имеющих хотя и невысокую концентрацию электронов, но зато значительную плотность воздуха.

Ночью с исчезновением слоя D поглощение в ионосфере уменьшается, вследствие чего на пространственных волнах можно поддерживать связь на расстояниях 1500-2000 км при мощности передатчика около 1 кВт. Условия связи зимой несколько лучше, чем летом.

Достоинством средних волн является то, что они не подвержены влиянию ионосферных возмущений.

Согласно международному соглашению на волнах длиной около 600 м передаются сигналы бедствия (сигналы SOS).

Положительной стороной связи пространственной волной на коротких и средних волнах является возможность осуществления дальней связи при небольшой мощности передатчика. Но связь пространственными волнами имеет и существенные недостатки.

Во-первых , неустойчивость связи вследствие изменения высоты ионизированных слоев атмосферы в течение суток и года. Для поддержания связи с одним и тем же пунктом за сутки приходится 2-3 раза менять длину волны. Часто вследствие изменения состояния атмосферы связь на некоторое время нарушается совсем.

Во-вторых , наличие зоны молчания.

Волны короче 25 м относятся к «дневным волнам», так как они хорошо распространяются днем. К «ночным волнам» относятся волны длиннее 40 м. Эти волны хорошо распространяются ночью.

Условия распространения коротких радиоволн определяются состоянием ионизированного слоя Fг. Электронная концентрация этого слоя часто нарушается вследствие неравномерности солнечного излучения, вызывающей ионосферные возмущения и магнитные бури. В результате энергия коротких радиоволн значительно поглощается, что ухудшает радиосвязь, даже иногда делает ее совсем невозможной. Особенно часто ионосферные возмущения наблюдаются на широтах, близких к полюсам. Поэтому там коротковолновая связь ненадежна.

Наиболее заметные ионосферные возмущения имеют свою периодичность: они повторяются через 27 суток (время обращения Солнца вокруг своей оси).

В диапазоне коротких волн сильно сказывается влияние промышленных, атмосферных и взаимных помех.

Оптимальные частоты связи на коротких волнах выбираются на основе радиопрогнозов, которые делятся на долгосрочные и краткосрочные . В долгосрочных прогнозах указывается ожидаемое среднее состояние ионосферы в течение определенного отрезка времени (месяца, сезона, года и более), тогда как краткосрочные прогнозы составляются на сутки, пятидневку и характеризуют возможные отклонения ионосферы от ее среднего состояния. Прогнозы составляются в виде графиков в результате обработки систематических наблюдений за ионосферой, солнечной активностью и состоянием земного магнетизма.

Ультракороткие волны (УКВ) от ионосферы не отражаются, они свободно проходят ее, т. е. эти волны не имеют пространственной ионосферной волны. Поверхностная же ультракороткая волна, на которой возможна радиосвязь, имеет два существенных недостатка: во-первых, поверхностная волна не огибает земную поверхность и большие препятствия и, во-вторых, она сильно поглощается в почве.

Ультракороткие волны широко применяются там, где требуется небольшой радиус действия радиостанции (связь ограничивается обычно пределами прямой видимости). В этом случае связь ведется пространственной тропосферной волной. Она обычно состоит из двух составляющих: прямого луча и луча, отраженного от Земли (рис. 2.9).

Рис. 2.9 Прямой и отраженный лучи пространственной волны.

Если антенны расположены достаточно близко, оба луча обычно достигают приемной антенны, но интенсивность их различная. Луч, отраженный от Земли, слабее из-за потерь, происходящих во время отражения от Земли. Прямой луч имеет почти то же самое затухание, что и волна в свободном пространстве. В приемной антенне общий сигнал равен векторной сумме этих двух составляющих.

Приемная и передающая антенны имеют обычно одну и ту же высоту, так что длина пути отраженного луча немного отличается от прямого луча. Отраженная волна имеет сдвиг по фазе на 180°. Таким образом, пренебрегая потерями в Земле во время отражения, если два луча прошли одно и то же расстояние, векторная сумма их равна нулю, в результате в приемной антенне сигнала не будет.

В действительности отраженный луч проходит несколько большее расстояние, следовательно, разность фаз в приемной антенне будет около 180°. Разность фаз определяется разностью пути в отношениях длины волны, а не в линейных единицах. Другими словами, общий сигнал, принимаемый при этих условиях, зависит главным образом от используемой частоты. Например, если длина рабочей волны 360 м, а разность пути 2 м, сдвиг фазы будет отличаться от 180° только на 2°. В результате наблюдается почти полное отсутствие сигнала в приемной антенне. Если длина волны 4 м, та же самая разность пути 2 м будет вызывать разность фазы 180°, полностью компенсируя сдвиг фазы 180° при отражении. В этом случае сигнал удваивается по напряжению.

Из этого вытекает, что при низких частотах использование пространственных волн не представляет интереса для связи. Только на высоких частотах, где разность пути является соизмеримой с используемой длиной волны, пространственная волна широко используется.

Радиус действия передатчиков УКВ значительно увеличивается при связи самолетов в воздухе и с Землей.

К преимуществам УКВ следует отнести возможность применения небольших антенн. Кроме того, в диапазоне УКВ может одновременно работать большое число радиостанций без взаимных помех. На участке диапазона волн от 10 до 1 м можно разместить одновременно работающих станций больше, чем в диапазоне коротких, средних и длинных волн вместе взятых.

Широкое распространение получили ретрансляционные линии, работающие на УКВ. Между двумя пунктами связи, находящимися на большом расстоянии, устанавливается несколько УКВ приемопередатчиков, расположенных в пределах прямой видимости один от другого. Промежуточные станции работают автоматически. Организация ретрансляционных линий позволяет повысить дальность связи на УКВ и осуществить, многоканальную связь (вести одновременно несколько телефонных и телеграфных передач).

Сейчас уделяется большое внимание использованию УКВ диапазона для дальней радиосвязи.

Наибольшее применение получили линии связи, работающие в диапазоне 20-80 МГц и использующие явления ионосферного рассеяния. Считалось, что радиосвязь через ионосферу возможна лишь на частотах ниже 30 МГц (длина волны более 10 м), а так как этот диапазон полностью загружен и дальнейшее увеличение числа каналов в нем невозможно, вполне понятен интерес к рассеянному распространению радиоволн.

Это явление заключается в том, что некоторая часть энергии излучения сверхвысоких частот рассеивается имеющимися в ионосфере неоднородностями. Создаются эти неоднородности воздушными течениями слоев с различными температурой и влажностью, блуждающими заряженными частицами, продуктами ионизации хвостов метеоритов и другими еще малоизученными источниками. Поскольку тропосфера всегда неоднородна, рассеянное преломление радиоволн существует систематически.

Рассеянное распространение радиоволн подобно рассеянию света прожектора в темную ночь. Чем мощнее световой луч, тем больше он дает рассеянного света.

При изучении дальнего распространения ультракоротких волн было замечено явление резкого кратковременного повышения слышимости сигналов. Такие всплески случайного характера длятся от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. Однако практически они наблюдаются в течение суток с перерывами, редко превышающими несколько секунд. Появление моментов повышенной слышимости объясняется главным образом отражением радиоволн от ионизированных слоев метеоритов, сгорающих на высоте около 100 км. Диаметр этих метеоритов не превышает нескольких миллиметров, а их следы тянутся на несколько километров.

От метеоритных следов хорошо отражаются радиоволны частотой 50-30 МГц (6-10 м).

Ежедневно в земную атмосферу влетает несколько миллиардов таких метеоритов, оставляя за собой ионизированные следы с высокой плотностью ионизации воздуха. Это и дает возможность получить надежную работу радиолиний большой протяженности при использовании передатчиков относительно небольшой мощности. Неотъемлемой частью станций на таких линиях является вспомогательное буквопечатающее оборудование, снабженное элементом памяти.

Поскольку каждый метеоритный след существует всего несколько секунд, передача ведется автоматически короткими сериями.

В настоящее время широко используются связь и телевизионные передачи через искусственные спутники Земли.

Таким образом, по механизму распространения радиоволн линии радиосвязи можно классифицировать на линии, использующие:

процесс распространения радиоволн вдоль земной поверхности с огибанием ее (так называемые земные или поверхностные волны);

процесс распространения радиоволн в пределах прямой видимости (прямые волны);

отражение радиоволн от ионосферы (ионосферные волны);

процесс распространения радиоволн в тропосфере (тропосферные волны);

отражение радиоволн от метеорных следов;

отражение или ретрансляцию от искусственных спутников Земли;

отражение от искусственно создаваемых образований газовой плазмы или искусственно созданных проводящих поверхностей.

2.4 Особенности распространения радиоволн различных диапазонов

На условия распространения радиоволн в пространстве между передатчиком и радиоприемником корреспондентов оказывает влияние конечная проводимость земной поверхности и свойства среды над Землей. Это влияние для различных диапазонов волн (частот) различно.

Мириаметровые и километровые волны (СДВ и ДВ ) могут распространяться и как земные, и как ионосферные. Наличие земной волны, распространяющейся на сотни и даже тысячи километров, объясняется тем, что напряженность поля этих волн убывает с расстоянием довольно медленно, так как поглощение их энергии земной или водной поверхностью невелико. Чем длиннее волна и лучше проводимость почвы, тем на большие расстояния обеспечивается радиосвязь.

В большой степени поглощают электромагнитную энергию песчаные сухие почвы и горные породы. При распространении за счет явления дифракции они огибают выпуклую земную поверхность, встречающиеся на пути препятствия: леса, горы, возвышенности и т.д. Начиная с расстояния 300-400 км от передатчика, появляется ионосферная волна, отраженная от нижней области ионосферы (от слоя D или Е). Днем из-за наличия слоя D поглощение электромагнитной энергии становится более существенным. Ночью, с исчезновением этого слоя, дальность связи увеличивается. Таким образом, прохождение длинных волн ночью, как правило, лучше, чем днем. Глобальные связи на СДВ и ДВ осуществляются волнами, распространяющимися в сферическом волноводе, образованном ионосферой и земной поверхностью.

Преимущество СДВ-, ДВ- диапазона:

радиоволны СДВ- и ДВ-диапазона обладают свойством проникать в толщу воды, а также распространяться в некоторых структурах почвы;

за счет волн, распространяющихся в сферическом волноводе Земли, обеспечивается связь на тысячи километров;

дальность связи мало зависит от ионосферных возмущений;

хорошие дифракционные свойства радиоволн этих диапазонов позволяют обеспечивать связь на сотни и даже тысячи километров земной волной;

постоянство параметров радиолинии обеспечивает стабильный уровень сигнала в точке приема.

Недостатки СДВ-,ДВ,- диапазона:

эффективное излучение волн рассматриваемых участков диапазона может достигаться лишь с помощью весьма громоздких антенных устройств, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Строительство и восстановление антенных устройств таких размеров в ограниченное время (в военных целях) затруднительно;

поскольку размеры реально выполняемых антенн меньше длины волны, то компенсация пониженной их эффективности достигается увеличением мощности передатчиков до сотен и более кВт;

создание резонансных систем в этом диапазоне и при значительных мощностях определяет большие размеры выходных каскадов: передатчиков, сложность быстрой перестройки на другую частоту;

для электропитания радиостанций СДВ- и ДВ-диапазонов) требуются большие мощности электростанций;

существенным недостатком СДВ- и ДВ-диапазонов является их небольшая частотная емкость;

достаточно большой уровень промышленных и атмосферных помех;

зависимость уровня сигнала в точке приема от времени суток.

Область практического применения радиоволн СДВ-, ДВ -диапазона:

связь с подводными объектами;

связь по глобальным магистральным линиям и подземная связь;

радиомаяки, а также связь в дальней авиации и ВМФ.

Гектометровые волны (СВ) могут распространяться поверхностной и пространственной волнами. Причем дальность связи поверхностной волной у них меньше (не превышает 1000-1500 км), так как их энергия поглощается почвой больше, чем у длинных волн. Волны, достигающие ионосферы, интенсивно поглощаются слоем D , когда он существует, но хорошо отряжаются слоем Е.

У средних волн дальность связи очень зависит от времени суток. Днем средние волны так сильно поглощаются в нижних слоях ионосферы, что пространственная волна практически отсутствует. Ночью слой D и нижняя часть слоя Е исчезают, поэтому поглощение средних волн уменьшается; и пространственные волны начинают играть главную роль. Таким образом важной особенностью средних волн является то, что днем связь на них поддерживается поверхностной волной, а ночью ‒ как поверхностной так и пространственной волнами одновременно.

Преимущества СВ-диапазона:

в ночное время летом и в течение большей части суток зимой дальность связи, обеспечиваемая ионосферной волной, достигает тысячи километров;

средневолновые антенные устройства оказываются достаточно эффективными и имеют приемлемые габариты даже для мобильных средств радиосвязи;

частотная емкость этого диапазона больше, чем СДВ- и ДВ-диапазонов;

хорошие дифракционные свойства радиоволн этого диапазона;

мощности передатчиков меньше, чем СДВ- и ДВ-диапазонов;

малая зависимость от ионосферных возмущений и магнитных бурь.

Недостатки СВ-диапазона:

загруженность СВ-диапазона мощными радиовещательными радиостанциями создает затруднения в широком использовании;

ограниченная частотная емкость диапазона затрудняет маневр частотами;

дальность связи на СВ в дневное время летом всегда ограничена, так как она возможна лишь земной волной;

достаточно большие мощности передатчиков;

затруднительно применение высокоэффективных антенных устройств, сложность построения и восстановление в короткие сроки;

достаточно большой уровень взаимных и атмосферных помех.

Область практического применения paдиoвoлн СВ-диапазона; средневолновые радиостанции чаще всего применяются в арктических районах, как резервные в случаях потери широко используемой коротковолновой радиосвязи из-за ионосферных и магнитных возмущений, а также в дальней авиации и ВМФ.

Декаметровые волны (KB ) занимают особое положение. Они могут распространяться и как земные, и как ионосферные волны. Земные волны при относительно небольших мощностях передатчиков, свойственных мобильным радиостанциям, распространяются на расстояния, не превышающие нескольких десятков километров, так как они испытывают значительное поглощение в земле, увеличивающееся с ростом частоты.

Ионосферные волны за счет однократного или многократного отражения от ионосферы при благоприятных условиях могут распространяться на большие расстояния. Их основное свойство заключается в том, что они слабо поглощаются нижними областями ионосферы (слоями D и Е ) и хорошо отражаются ее верхними областями (главным образом слоем F 2 . находящимся на высоте 300-500 км над землей). Это дает возможность использовать относительно маломощные радиостанции для ведения прямой связи в неограниченно широком диапазоне расстояний.

Существенное снижение качества KB радиосвязи ионосферными волнами происходит из-за замирания сигналов. Природа замираний в основном сводится к интерференции нескольких приходящих к месту приема лучей, фаза которых вследствие изменения состояния ионосферы непрерывно меняется.

Причинами прихода нескольких лучей в место приема сигналов могут быть:

облучение ионосферы под углами, при которых лучи, претерпевающие

различное число отражений от ионосферы и Земли, сходятся в точке приема;

явление двойного лучепреломления под воздействием магнитного поля Земли, благодаря которому два луча (обыкновенный и необыкновенный), отражаясь от различных слоев ионосферы, достигают одной и той же точки приема;

неоднородность ионосферы, приводящая к диффузному отражению волн от различных ее областей, т.е. к отражению пучков множества элементарных лучей.

Замирания могут происходить также в силу поляризационных флуктуаций волн при отражении от ионосферы, приводящих к изменению соотношения вертикальных и горизонтальных составляющих электрического поля в месте приема. Поляризационные замирания наблюдаются гораздо реже интерференционных и составляют 10-15 % общего их числа.

Уровень сигнала в точках приема в результате замираний может изменяться в широких пределах ‒ в десятки и даже сотни раз. Промежуток времени между глубокими замираниями является случайной величиной и может меняться от десятых долей секунды до нескольких секунд, а иногда и более, причем переход от высокого к низкому уровню может проходить как плавно, так и весьма резко. Быстрые изменения уровня часто накладываются на медленные.

Условия прохождения коротких волн через ионосферу меняются от года к году, что связано с почти периодическим изменением солнечной активности, т.е. с изменением числа и площади солнечных пятен (числа Вольфа), которые являются источниками радиации, ионизирующей атмосферу. Период повторения максимальной солнечной активности составляет 11,3±4 года. В годы максимальной солнечной активности максимально применимые частоты (МПЧ) повышаются, а области рабочих диапазонов частот расширяются.

На рис. 2.10 показано типовое семейство суточных графиков МПЧ и наименьших применимых частот (НПЧ) для излучаемой мощности, равной 1 кВт.

Рис. 2.10 Ход кривых МПЧ и НПЧ.

Это семейство суточных графиков соответствует определенным географическим районам. Из него следует, что применимый диапазон частот для ведения связи на заданное расстояние может оказаться весьма небольшим. При этом необходимо учитывать, что ионосферные прогнозы могут иметь погрешность, поэтому при выборе максимальных частот связи стараются не превышать линию так называемой оптимальной рабочей частоты (ОРЧ), проходящей ниже линии МПЧ на 20-30 %. Разумеется, что рабочая ширина участка диапазона от этого дополнительно сокращается. Снижение уровня сигнала при приближении к максимально применимой частоте объясняется непостоянством параметров ионосферы.

В связи с тем, что состояние ионосферы изменяется, связь ионосферной волной требует правильного выбора частот в течение суток:

ДНЕМ используют частоты 12-30 МГц,

УТРОМ и ВЕЧЕРОМ 8-12 МГц, НОЧЬЮ 3-8 МГц.

Из графиков также видно, что с уменьшением протяженности линии радиосвязи участок применимых частот сокращается (для расстояний до 500 км в ночное время он может составлять всего лишь 1-2 МГц).

Условия радиосвязи для протяженных линий оказываются более благоприятными, чем для коротких, так как их меньше, а участок пригодных частот для них значительно шире.

Существенное влияние на состояние KB радиосвязи (особенно в полярных районах) могут иметь ионосферные и магнитные бури, т.е. возмущения ионосферы и магнитного поля Земли под воздействием потоков заряженных частиц, извергаемых Солнцем. Эти потоки часто разрушают основной отражающий ионосферный слой F2 в районе высоких геомагнитных широт. Магнитные бури могут проявляться не только в полярных областях, но и на всем земном шаре. Ионосферные возмущения обладают периодичностью и связаны со временем обращения Солнца вокруг своей оси, которое равно 27 суткам.

Для коротких волн характерно наличие зон молчания (мертвых зон). Зона молчания (рис. 2.8) возникает при радиосвязи на большие расстояния на участках, до которых поверхностная волна не доходит вследствие её затухания, а пространственная волна отражается от ионосферы на большее расстояние. Это происходит при использовании узконаправленных антенн при излучении под небольшими углами к горизонту.

Преимущества КВ-диапазона:

ионосферные волны могут распространяться на большие расстояния за счет однократного или многократного отражения от ионосферы при благоприятных условиях. Они слабо поглощаются нижними областями ионосферы (слоями D и Е) и хорошо отражаются верхними (главным образом, слоем F2);

возможность использовать относительно маломощные радиостанции для ведения прямой связи в неограниченно широком диапазоне расстояний;

частотная вместимость КВ-диапазона значительно больше, чем СДВ-, ДВ-, СВ-диапазонов, что обеспечивает возможность одновременной работы большого числа радиостанций;

антенные устройства, используемые в диапазоне декаметровых волн, имеют приемлемые (даже для установки на подвижных объектах) габариты и могут обладать явно выраженными направленными свойствами. Они имеют малое время развертывания, дешевы и легко восстанавливаются при повреждениях.

Недостатки КВ-диапазона:

радиосвязь ионосферными волнами может осуществляться, если применяемые частоты лежат ниже максимальных значений (МПЧ), определяемых для каждой протяженности линии радиосвязи степенью ионизации отражающих слоев;

связь возможна лишь в том случае, если мощности передатчиков и коэффициенты усиления применяемых антенн при имеющем место поглощении энергии в ионосфере обеспечивают необходимую напряженность электромагнитного поля в точке приема. Это условие ограничивает нижний предел применимых частот (НПЧ);

недостаточная частотная емкость для использования широкополосных режимов работы и маневра частотами;

огромное количество одновременно работающих радиостанций при большой дальности связи создает большой уровень взаимных помех;

большая дальность связи позволяет легко использовать противником преднамеренные помехи;

наличие зон молчания при обеспечении связи на большие расстояния;

существенное снижение качества KB радиосвязи ионосферными волнами из-за замирания сигналов, возникающих в силу непостоянства структуры отражающих слоев ионосферы, ее постоянного возмущения и многолучевого распространения волн.

Область практического применения радиоволн КВ-диапазона

KB радиостанции находят самое широкое практическое применение для связи удаленными абонентами.

Метровые волны (УКВ) включают в себя ряд участков частотного диапазона, обладающих огромной частотной емкостью.

Естественно, что эти участки в значительной степени отличаются один другого по свойствам распространения радиоволн. Энергия УКВ сильно поглощается Землей (в общем случае пропорционально квадрату частоты), поэтому земная волна довольно быстро затухает. Для УКВ несвойственно регулярное отражение от ионосферы, следовательно, связь рассчитывается на использование земной волны и волны, распространяющейся в свободном пространстве. Пространственные волны короче 6-7 м (43-50 МГц), как правило, проходят через ионосферу, не отражаясь от нее.

Распространение УКВ происходит прямолинейно, максимальная дальность ограничивается дальностью прямой видимости. Ее можно определить по формуле:

где Dmax – дальность прямой видимости, км;

h1 – высота передающей антенны, м;

h2 – высота приемной антенны, м.

Однако за счет рефракции (преломления) происходит искривление распространения радиоволн. В этом случае в формуле дальности более точным будет коэффициент не 3,57, а 4,1-4,5. Из этой формулы следует, что для увеличения дальности связи на УКВ необходимо выше поднимать антенны передатчика и приемника.

Увеличение мощности передатчика не ведет к пропорциональному увеличению дальности связи, поэтому в данном диапазоне находят применение маломощные радиостанции. При связи за счет тропосферного и ионосферного рассеяния требуются передатчики значительных мощностей.

На первый взгляд дальность связи земными волнами на УКВ должна быть весьма небольшой. Однако следует учитывать, что с ростом частоты повышается эффективность антенных устройств, за счет чего компенсируются энергетические потери в Земле.

Дальность связи земными волнами зависит от длины волн. Наибольшая дальность достигается на метровых волнах, особенно на волнах, примыкающих к КВ-диапазону.

Метровые волны обладают свойством дифракции , т.е. свойством огибать неровности рельефа местности. Увеличению дальности связи на метровых волнах способствует явление тропосферной рефракции , т.е. явление преломления в тропосфере, что и обеспечивает ведение связи на закрытых трассах.

В диапазоне метровых волн нередко наблюдается дальнее распространение радиоволн, что обусловлено рядом причин. Дальнее распространение может возникнуть при образовании спорадических ионизированных облаков (спорадического слоя Fs). Известно, что этот слой может появиться в любое время года и суток, однако для нашего полушария – преимущественно в конце весны и начале лета в дневное время. Особенностью этих облаков является весьма высокая ионная концентрация, достаточная иногда для отражения волн всего УКВ-диапазона. При этом зона расположения источников излучения относительно точек приема находится чаще всего на удалении 2000-2500 км, а иногда и ближе. Интенсивность сигналов, отраженных от слоя Fs, может быть очень большой даже при весьма небольших мощностях источников.

Другой причиной дальнего распространения метровых волн в годы максимума солнечной активности может быть регулярный слой F2. Это распространение проявляется в зимние месяцы в освещенное время точек отражения, т.е. тогда, когда поглощение энергии волн в нижних областях ионосферы минимально. Дальность связи при этом может достигать глобальных масштабов.

Дальнее распространение метровых волн может быть также при осуществлении высотных ядерных взрывов. В этом случае, кроме нижней области повышенной ионизации возникает верхняя (на уровне слоя Fs). Метровые волны проникают через нижнюю область, испытывая некоторое поглощение, отражаются от верхней и возвращаются на Землю. Расстояния, перекрываемые при этом, лежат в пределах от 100 до 2500 км. Напряженность поля отраженных волн зависит от частоты: наиболее низкие частоты претерпевают наибольшее поглощение в нижней области ионизации, а наиболее высокие испытывают неполное отражение от верхней области.

Граница раздела между KB и метровыми волнами проходит на длине волны 10 м (30 МГц). Свойства распространения радиоволн не могут изменяться скачком, т.е. должна существовать область или участок частот, который является переходным . Таким участком частотного диапазона является участок 20-30 МГц. В годы минимума солнечной активности (а также в ночное время независимо от фазы активности) эти частоты практически непригодны для дальней связи ионосферными волнами и их использование оказывается чрезвычайно ограниченным. В то же время при указанных условиях свойства распространения волн этого участка становятся весьма близкими к свойствам метровых волн. Не случайно этот участок частот применяется в интересах радиосвязи, ориентирующейся на метровые волны.

Преимущества УКВ-диапазона:

малые габариты антенн позволяют реализовать ярко выраженное направленное излучение, компенсирующее быстрое затухание энергии радиоволн;

условия распространения в основном не зависят от времени суток и годa, а также солнечной активности;

ограниченная дальность связи позволяет многократно использовать одни и те же частоты на участках поверхности, расстояние между границами которых не меньше суммы дальности действия радиостанций с одинаковыми частотами;

меньший уровень непреднамеренных (естественного и искусственного происхождения) и преднамеренных помех за счет узконаправленных антенн и ог раниченной дальности связи;

огромная частотная ёмкость, позволяющая использовать помехоустойчивые широкополосные сигналы для большого числа одновременно работающих станций;

при использовании для радиосвязи широкополосных сигналов достаточно частотной нестабильности радиолинии δf=10 -4 ;

способность УКВ проникать через ионосферу без существенных энергетических потерь сделала возможным осуществление космической радиосвязи на расстояния, измеряемые миллионами километров;

высокое качество радиоканала;

из-за весьма низких энергетических потерь в свободном пространстве дальность связи между летательными аппаратами, оборудованными относительно маломощными радиостанциями, может достигать нескольких сот километров;

свойство дальнего распространения метровых волн;

малая мощность передатчиков и небольшая зависимость дальности связи от мощности.

Недостатки УКВ-диапазона:

малая дальность радиосвязи земной волной, практически ограниченная прямой видимостью;

при использовании узконаправленных антенн затруднена работа с несколькими корреспондентами;

при использовании антенн с круговой направленностью уменьшается дальность связи, разведзащищенность, помехозащищенность.

Область практического применения радиоволн УКВ-дианазона Диапазон используется одновременно большим числом радиостанций, тем более что дальность взаимного мешания между ними, как правило, невелика. Свойства распространения земных волн обеспечивают широкое применение ультракоротких волн для связи в тактическом звене управления, в том числе между различного рода подвижными объектами. Связь на межпланетные расстояния.

Учитывая преимущества и недостатки каждого диапазона, можно сделать вывод, что наиболее приемлемыми диапазонами для работы радиостанциями малой мощности являются диапазоны декаметровых (KB) и метровых (УКВ) волн.

2.5 Влияние ядерных взрывов на состояние радиосвязи

При ядерных взрывах мгновенное гамма-излучение, взаимодействуя с атомами окружающей среды, создает поток быстрых электронов, летящих с большой скоростью преимущественно в радиальном направлении от центра взрыва, и положительных ионов, остающихся практически на месте. Таким образом, в пространстве на некоторое время происходит разделение положительных и отрицательных зарядов, что приводит к возникновению электрических и магнитных полей. Эти поля ввиду их кратковременности принято называть электромагнитным импульсом (ЭМИ ) ядерного взрыва. Продолжительность его существования примерно 150-200 миллисекунд.

Электромагнитный импульс (пятый поражающий фактор ядерного взрыва ) при отсутствии специальных мер защиты может повреждать аппаратуру управления и связи, нарушать работу электрических устройств, подключенных к протяженным наружным линиям.

Наиболее подвержены воздействию электромагнитного импульса ядерного взрыва системы связи, сигнализации и управления. В результате воздействия ЭМИ наземного или воздушного ядерного взрыва на антенны радиостанций в них наводится электрическое напряжение, под действием которого может происходить пробой изоляции, трансформаторов, плавление проводов, выход из строя разрядников, порча электронных ламп, полупроводниковых приборов, конденсаторов, сопротивлений и т. п.

Установлено, что при воздействии ЭМИ на аппаратуру наибольшее напряжение наводится на входных цепях, В отношении транзисторов наблюдается такая зависимость: чем выше коэффициент усиления транзистора, тем меньше его электрическая прочность.

Радиоаппаратура имеет электрическую прочность по постоянному напряжению не более 2-4 кВ. Учитывая, что электромагнитный импульс ядерного взрыва является кратковременным, предельную электрическую прочность аппаратуры без средств защиты можно считать более высокой ‒ примерно 8-10 кВ.

В табл. 1 приведены ориентировочные расстояния (в км), на которых в антеннах радиостанций в момент ядерного взрыва наводятся опасные для аппаратуры напряжения, превышающие 10 и 50 кВ.

Таблица 1

Hа бȍльших расстояниях воздействие ЭМИ оказывается аналогичным воздействию не очень далекого разряда молнии и не вызывает повреждения аппаратуры.

Воздействие электромагнитного импульса на радиоаппаратуру резко снижается в случае применения специальных мер защиты.

Наиболее аффективным способом зашиты радиоэлектронной аппаратуры, расположенной в сооружениях, является использование электропроводящих (металлических) экранов, которые в значительной мере снижают величины напряжений, наводимых на внутренних проводах и кабелях. Применяются средства защиты, аналогичные грозозащитным средствам: разрядники с дренажными и запирающими катушками, плавкие вставки, развязывающие устройства, схемы автоматического отключения аппаратуры от линии.

Хорошей защитной мерой является также надежное заземление аппаратуры в одной точке. Эффективно и выполнение радиотехнических устройств поблочно, с зашитой каждого блока и всего устройства в целом. Это дает возможность быстро сменить вышедший из строя блок резервным (в наиболее ответственной аппаратура проводится дублирование блоков с автоматическим переключением их при повреждении основных). В некоторых случаях дли защиты от ЭМИ можно использовать селеновые элементы и стабилизаторы.

Кроме того, могут быть применены защитные входные приспособления , которые представляют собой различные релейные или электронные устройства, реагирующие на превышение напряжения в цепи. При приходе импульса напряжения, наведенного в линии электромагнитным импульсом, они отключают питание от аппарата или просто разрывают рабочие цепи.

При выборе защитных устройств, следует учитывать, что воздействие ЭМИ характеризуется массовостью, то есть одновременным срабатыванием защитных средств во всех цепях, оказавшихся в районе взрыва. Поэтому применяемые схемы защиты должны автоматически восстанавливать работоспособность цепей немедленно после прекращения действия электромагнитного импульса.

Устойчивость аппаратуры к воздействию напряжения, возникающих в линиях при ядерном взрыве, в большой степени зависит от правильной эксплуатации линии и тщательного контроля исправности средств защиты.

К важным требованиям эксплуатации относится периодическая и своевременная проверка электрической прочности изоляции линии и входных цепей аппаратуры, своевременное выявление и устранение возникших заземлений проводов, контроль за исправностью разрядников, плавких вставок и т. п.

Высотный ядерный взрыв сопровождается образованием областей повышенной ионизации. При взрывах на высотах примерно до 20 км ионизированная область ограничивается сначала размерами светящейся области, а затем облаком взрыва. На высотах 20-60 км размеры ионизированной области несколько больше размеров облака взрыва, особенно у верхней границы этого диапазона высот.

При ядерных взрывах на больших высотах в атмосфере возникают две области повышенной ионизации.

Первая область образуется в районе взрыва за счет ионизированного вещества боеприпаса и ионизации воздуха ударной волной. Размеры этой области в горизонтальном направлении достигают десятков и сотен метров.

Вторая область повышенной ионизации возникает ниже центра взрыва в слоях атмосферы на высотах 60-90 км в результате поглощения воздухом проникающих излучений. Расстояния, на которых проникающие излучения производят ионизацию, в горизонтальном направлении составляют сотни и даже тысячи километров.

Области повышенной ионизации, возникающие при высотном ядерном взрыве, поглощают радиоволны и изменяют направление их распространения, что приводит к существенному нарушению работы радиосредств. При этом возникают перебои в радиосвязи, а в некоторых случаях она нарушается полностью.

Характер поражающего действия электромагнитного импульса высотных ядерных взрывов в основном аналогичен характеру поражающего действия ЭМИ наземных и воздушных взрывов.

Меры защиты от поражающего действия электромагнитного импульса высотных взрывов такие же, как и от ЭМИ наземных и воздушных взрывов.

2.5.1 Защита от ионизирующих и электромагнитных излучений

высотных ядерных взрывов (ВЯВ)

Помехи РС могут возникать вследствие взрывов ядерных боеприпасов, сопровождающихся излучением мощных электромагнитных импульсов малой длительности (10-8 сек) и изменением электрических свойств атмосферы.

ЭМИ (радиовспышка) возникает:

во-первых , в результате асимметричного расширения облака электрических разрядов, образующихся под воздействием ионизирующих излучений взрывов;

во-вторых , за счет быстрого расширения хорошо проводящего газа (плазмы), образующегося из продуктов взрыва.

После взрыва в космосе создается огненный шар, который представляет собой сильно ионизированную сферу. Эта сфера быстро расширяется (со скоростью порядка 100-120 км/ч) над земной поверхностью, преобразуясь в сферу ложной конфигурации, толщина сферы достигает 16-20 км. Концентрация электронов в сфере может доходить до 105-106 электр./см3, т. е. в 100-1000 раз превышать нормальную концентрацию электронов в ионосферном слое D .

Высотные ядерные взрывы (ВЯВ) на высотах больше 30 км существенным образом влияют на больших пространствах в течение продолжительного времени на электрические характеристики атмосферы, и, следовательно, оказывают сильное влияние на распространение радиоволн.

Кроме того, возникающий при ВЯВ мощный электромагнитный импульс индуцирует в проводных линиях связи большие напряжения (до 10 000-50 000 В) и токи до нескольких тысяч ампер.

Мощность ЭМИ настолько велика, что его энергии достаточно для проникновения в толщу земли до 30 м и наведения ЭДС в радиусе до 50-200 км от эпицентра взрыва.

Однако основное воздействие ВЯВ состоит в том, что выделившееся про взрыве огромное количество энергии, а также интенсивные потоки нейтронов, рентгеновских, ультрафиолетовых и гамма – лучей приводят к образованию в атмосфере сильно ионизированных областей и повышению плотности электронов в ионосфере, что в свою очередь, ведет к поглощению радиоволн и нарушению устойчивости функционирования системы управления.

2.5.2 Характерные признаки ВЯВ

ВЯВ в данном районе или вблизи него сопровождается мгновенным прекращением приема дальних станций в КВ диапазоне волн.

В момент прекращения связи в телефонах наблюдается короткий щелчок, а затем прослушиваются только собственные шумы приемника и слабые трески типа громовых разрядов.

Через несколько минут после прекращения связи на КВ резко возрастают помех от дальних станций в метровом диапазоне волн на УКВ.

Уменьшается дальность действия РЛС и точность измерения координат.

В основе защиты электронных средств лежит правильное использование частотного диапазона и всех факторов, которые возникают в результате применения ВЯВ

2.5.3 Основные определения:

отраженная радиоволна (отраженная волна ) – радиоволна, распространяющаяся после отражения от поверхности раздела двух сред или от неоднородностей среды;

прямая радиоволна (прямая волна ) – радиоволна, распространяющаяся непосредственно от источников к месту приема;

земная радиоволна (земная волна ) – радиоволна, распространяющаяся вблизи земной поверхности и включающая прямую волну, волну, отраженную от земли, и поверхностную волну;

ионосферная радиоволна (ионосферная волна ) – радиоволна, распространяющаяся в результате отражения от ионосферы или рассеяния на ней;

поглощение радиоволн (поглощение ) – уменьшение энергии радиоволны вследствие частичного перехода ее в тепловую энергию в результате взаимодействия со средой;

многолучевое распространение радиоволн (многолучевое распространение ) – распространение радиоволн от передающей к приемной антенне по нескольким траекториям;

действующая высота отражения слоя (действующая высота ) – гипотетическая высота отражения радиоволны от ионизированного слоя, зависящая от распределения электронной концентрации по высоте и длине радиоволны, определяемая через время между передачей и приемом отраженной ионосферной волны при вертикальном зондировании в предположении, что скорость распространения радиоволны на всем пути равна скорости света в вакууме;

ионосферный скачок (скачок ) – траектория распространения радиоволны одной точки на поверхности Земли к другой, прохождение по которой сопровождается одним отражением от ионосферы;

максимальная применимая частота (МПЧ ) – наивысшая частота радиоизлучения, на которой существует ионосферное распространение радиоволн между заданными пунктами в заданное время в определенных условиях, это частота, которая еще отражается от ионосферы;

оптимальная рабочая частота (ОРЧ ) – частота радиоизлучения ниже ПЧ, на которой может осуществляться устойчивая радиосвязь в определенных геофизических условиях. Как правило, ОРЧ ниже МПЧ на 15%;

вертикальное ионосферное зондирование (вертикальное зондирование ) – ионосферное зондирование при помощи радиосигналов, излучаемых вертикально вверх относительно поверхности Земли при условии, что точки излучения и приема совмещены;

ионосферное возмущение – нарушение в распределении ионизации в слоях атмосферы, которое превосходит обычно изменения средних характеристик ионизации для данных географических условий;

ионосферная буря – продолжительное ионосферное возмущение большой интенсивности.