§ 3. Формирование радиоволн с различными механизмами распространения

3.1. Формирование поверхностных волн

Поверхностные волны формируются вблизи земной поверхности и распространяются вдоль нее, повторяя кривизну Земли.

Причиной возникновения поверхностных волн является физическое явление, называемое дифракцией радиоволн. Явление дифракции заключается в том, что при определенных условиях радиоволны огибают препятствия, находящиеся на пути их распространения. Огибание препятствий радиоволнами происходит только в тех случаях, когда длина волны электромагнитных колебаний, используемых для связи, соизмерима с геометрическими размерами этих препятствий. Чем больше длина волны, тем выше ее способность к огибанию препятствий (в том числе и Земли).

Поскольку поверхностные волны образуются вблизи земной поверхности, то на дальность распространения энергии радиоволн оказывает влияние состав почвы и рельеф местности, над которой происходит распространение радиоволн. Земля является плохим проводником и одновременно плохим диэлектриком, поэтому в ней происходит значительное поглощение энергии радиоволн.

При распространении радиоволн над морской поверхностью потери электромагнитной энергии меньше, чем над поверхностью Земли, т. к. электропроводность морской воды значительно выше, чем электропроводность поверхностного слоя Земли.

3.2. Формирование ионосферных волн

Ионосферные волны формируются благодаря тому, что радиолучи, попадающие в ионосферу под углом к ее нижней границе, отклоняются от первоначального направления. В результате такого отклонения, эти лучи вновь пересекают нижнюю границу ионосферы и выходят из нее в сторону Земли. Изменение направления распространения радиоволн в ионосфере происходит за счет рефракции.

Рефракция радиоволн представляет собой физическое явление, заключающееся в изменении направления распространения электромагнитной энергии при прохождении участков среды с различной электропроводностью. Поскольку степень ионизации ионосферы изменяется с изменением высоты, то по отношению к распространяющимся в ней радиоволнам ионосфера ведет себя как неоднородная среда. Радиолучи, попадающие в такую среду под углом к ее границе, отклоняются от первоначального направления в сторону уменьшения электропроводности среды. При этом наблюдается преломление радиолучей, и при определенных условиях происходит их полное внутреннее отражение. Чем выше степень ионизации конкретного ионосферного слоя, тем большее преломление испытывают радиолучи, распространяющиеся в этом слое.

При распространении радиоволн в ионосфере происходит поглощение энергии радиоволн (затухание). Затухание происходит из-за того, что заряженные части­цы ионосферы под действием радиоволн приходят в колебательное движение и сталкиваются между собой. При этом энергия электромагнитного поля превращается в тепловую энергию, выделяющуюся при столкновении частиц. Чем выше плотность атмосферы, и чем ниже степень ионизации, тем больше затухание радиоволн.

3.3. Формирование прямых волн

При распространении радиоволн вблизи земной поверхности явление дифракции имеет место только тогда, когда длина волны электромагнитных колебаний сравнима с геометрическими размерами препятствий, вблизи которых распространяются радиоволны. Если длина волны значительно меньше, чем размеры препятствий, то дифракция отсутствует. В этих случаях энергия распространяется в виде прямых волн.

Прямые волны не огибают ни Землю, ни крупные препятствия, поэтому при осуществлении наземной радиосвязи прямые волны можно использовать только в пределах прямой видимости.

Дальность прямой видимости определяется высотой установки передающей и приемной антенн (рис. 3.5.6).

Р ис. 3.5.6. Дальность прямой видимости

Дальность прямой видимости D (км) при отсутствии дифракции вычисляется по формуле:

D = 3,57 ∙ ( + )

где: h₁ и h₂ – высота установки передающей и приемной антенн (м).

При распространении радиоволн в ионосфере прямые волны могут существовать только тогда, когда степень ионизации оказывается недостаточной для того, чтобы изменить направление распространения радиоволн. В этих случаях радиоволны проходят сквозь ионосферу без изменения направления и уходят в космическое пространство.

Отсутствие влияния ионосферы на распространение прямых волн позволяет использовать их для осуществления космической радиосвязи.