Каждый из частотных диапазонов характеризуется специфическими условиями распространения радиосигнала.

3.1.1 Распространение радиоволн в свободном пространстве. Свободным пространством называют среду, параметры которой не влияют на распространение радиоволн, то есть  = 0, диэлектрическая проницаемость  = ₀, магнитная проницаемость  = ₀. Близка по характеристикам к свободному пространству область распространения радиоволн на большом удалении от земной поверхности.

Приведем зависимости изменений характеристик радиоволн для напряженности поля. Ввиду того, что в свободном пространстве k=(₀₀)^1/2 и _ak = ₀, напряженности поля в дальней зоне будут равны:

Векторы Е и Н в дальней зоне взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения радиоволны. Отношение амплитуд напряженности электрического и магнитного полей равно волновому сопротивлению (импедансу) свободного пространства, которое в системе СИ равно

.

Для изотропного излучателя плотность мощности S на расстоянии d определяется как поток энергии P , проходящий через единичную площадку сферической поверхности:

(3.3)

Амплитуда напряженности поля для антенны с коэффициентом направленного действия D будет равна:

Наряду с коэффициентом направленного действия (КНД) D применяется параметр, называемый коэффициентом усиления антенны G, который одновременно учитывает и коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент полезного действия (КПД) =P_t/P. Тогда

G= D.

Используя величину нормированной характеристики направленности антенны F()=E_m/E_m01, где   - координатные углы в сферической системе координат, полярная ось которой совпадает с направлением максимального излучения, получаем:

3.1.2 Распространение радиоволн в ионосфере. Ионосфера является частью атмосферы и имеет сложный высотный профиль температуры, электронной концентрации и распределения газовых составляющих.

Распространение радиоволн в ионосферной плазме, находящейся в магнитном поле Земли, имеет сложный характер. Наиболее важными параметрами ионосферы, влияющими на распространение электромагнитных волн, являются электронная концентрация и частота соударений электронов с нейтральными частицами атмосферного газа.

Одним из наиболее часто используемых приближений для расчетов распространения радиоволн в ионосфере является условие, при котором вектор магнитного поля лежит в плоскости распространения.

Вариации характеристик сигнала в ионосфере определяются комплексной диэлектрической проницаемостью , связанной с показателями преломления n и поглощения æ следующим выражением:

 = (n-iæ)² = (n² - æ ²) – i2næ. (3.4)

При этом выражение для комплексной диэлектрической проницаемости  принимает вид:

, (3.5)

где знак «+» перед корнем в знаменателе выражения (3.5) дает решение для обыкновенной компоненты, а знак «-» - для необыкновенной компоненты радиосигнала,  - угол между направлением распространения электромагнитной волны и вектором магнитного поля Земли.

Показатели преломления n и поглощения æ радиоволны в ионосферной плазме рассчитываются из данных диэлектрической проницаемости  и проводимости  плазмы с помощью следующих уравнений:

æ= (3.6)

которые используются для расчетов траектории распространения радиосигнала в диспергирующей среде через закон Снеллиуса

(3.7)

Поглощение энергии радиоволны рассчитывается с помощью следующего выражения:

. (3.8)

Для расчетов траектории и поглощения энергии радиоволны (3.7 и 3.8) ионосфера представляется плоскослоистой. В каждом слое ионосфера характеризуется своими значениями показателей преломления и поглощения.

Для обыкновенной компоненты высокочастотного сигнала, удовлетворяющего соотношению , где =2f,  - эффективная частота соударений электронов с нейтральными молекулами атмосферного газа, можем записать:

(3.9)

Высотный профиль частоты соударений электронов с нейтральными молекулами атмосферного газа (h) является функцией температуры и задается суммой столкновений с атомарными составляющими атмосферы. Ниже приведем эти зависимости. Высотное распределение нейтральных компонент всегда можно найти в многочисленных справочниках.

Таблица 3.1

Зависимость частоты соударений электронов с нейтральными молекулами атмосферного газа от температуры

Компонента Частота соударений электронов с молекулами, , c-1 N2 2,3310-11[N2](1-1,2110-4Te)Te O2 1,8210-10[O2](1+3,610-2Te1/2)Te1/2 O 2,810-10[O] Te1/2 H 4,510-9[H](1-1,3510-4 Te) Te1/2 He 4,610-10[He] Te1/2

В таблице 3.2 приведены типичные распределения ионосферных параметров с высотой на средних широтах при средней солнечной активности.

Таблица 3.2