2 Вопрос. Деление радиоволн на диапазоны – 35 минут.

Дадим краткую характеристику свойств распространения радиоволн отдельных участков диапазона с целью определения области их применения.

Диапазоны частот радиоволн Таблица.1

№ п/п	Границы диапазона	Диапазон радиочастот	Длина волны, м	Метрическое разделение волн	Поддиапа­зон волн
1	3...30 Гц	Крайне низкие частоты (КНЧ)	100...10 Мм	Дека- мегаметровые	Радиоволны инфразвуковых и звуковых частот
2	30...300 Гц	Сверхнизкие частоты (СНЧ)	10...1 Мм	Мегаметровые
3	0,3...3 кГц	Инфранизкие час­тоты (ИНЧ)	1000...100 км	Дека- километровые
4	3...30 кГц	Очень низкие частоты (ОНЧ)	100...10 км	Мириаметровые	Сверхдлин­ные (СДВ)
5	30...300 кГц	Низкие частоты (НЧ)	10...1 км	Километровые	Длинные (ДВ)
6	0,3...3 МГц	Средние частоты (СЧ)	1...0,1 км	Гектометровые	Средние (СВ)
7	3...30 МГц	Высокие частоты (ВЧ)	100...10 м	Декаметровые	Короткие (KB)
8	30...300 МГц	Очень высокие частоты (ОВЧ)	10...1 м	Метровые	Ультра­короткие (УКВ)
9	0,3...3 ГГц	Ультравысокие (УВЧ)	1...0,1 м	Дециметровые
10	3...30 ГГц	Сверхвысокие частоты (СВЧ)	10...1 см	Сантиметровые
11	30...300 ГГц	Крайне высокие частоты (КВЧ)	10...1 мм	Миллиметровые
12	0,3...3 ТГц	Гипервысокие (ГВЧ)	1...0,1 мм	Деци- миллиметровые

Примечание. Термины «сверхдлинные волны», «длинные волны», «средние волны», «короткие волны» и «ультракороткие волны», охватывающие метровые, дециметровые и более короткие волны, являются не рекомендуемыми. Однако для преемственности эти термины еще широко используются в литера­туре и технической документации.

Мириаметровые и километровые или сверхдлинные и длинные 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. Начиная с расстояний 300–400 км от передатчика по­является ионосферная волна, отраженная от нижней области ионосферы (от слоя Д, находящегося на высоте 60–80 км в лет­нее дневное время, или от слоя Е, находящегося на высоте 100–130 км). Глобальные связи на СДВ и ДВ осуществляются волнами, распространяющимися в сферическом волноводе, обра­зованном ионосферой и земной поверхностью.

СДВ и ДВ обладают свойством проникать в толщу воды, а также свойством распространения в некоторых структурах почвы.

Эффективное излучение волн рассматриваемых участков диа­пазона может достигаться лишь с помощью весьма громоздких антенных устройств, размеры которых соизмеримы с длиной вол­ны. Поскольку реально выполняемые антенны этому условию обычно не удовлетворяют, то компенсация пониженной их эффек­тивности достигается увеличением мощности передатчиков до сотен и более кВт.

Существенным недостатком СДВ и ДВ диапазонов является их небольшая частотная емкость.

Практические области применения СДВ и ДВ — это связь с подводными объектами, связь по глобальным магистральным линиям и подземная связь.

Гектометровые или средние волны (СВ) испытывают большее поглощение при распространении вдоль земной поверхности, чем волны рассмотренных выше участков. Волны, достигающие ионо­сферы, интенсивно поглощаются слоем Д, когда он существует, но хорошо отражаются слоем Е. Поэтому дальность связи на СВ в дневное время летом всегда ограничена, так как она возмож­на лишь земной волной. В ночное время летом и в течение боль­шей части суток зимой дальность связи, обеспечиваемой ионо­сферной волной, резко увеличивается.

Средневолновые антенные устройства оказываются достаточ­но эффективными и имеют приемлемые габариты даже для моби­льных средств радиосвязи.

Частотная емкость этого участка диапазона значительно вы­ше, чем участков СДВ и ДВ, однако его загруженность мощны­ми радиовещательными радиостанциями создает затруднения в широком использовании этой емкости.

Средневолновые радиостанции чаще всего применяются в арк­тических районах как резервные в случаях потери широко ис­пользуемой коротковолновой радиосвязи из-за ионосферных и магнитных возмущений.

Д екаметровые или короткие 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, возрастающее с ростом частоты.

Ионосферные волны за счет однократного или многократного отражения от ионосферы при благоприятных условиях могут рас­пространяться на сколь угодно большие расстояния. Их основ­ное свойство состоит в том, что они слабо поглощаются нижними областями ионосферы (слоями Д и Е) и хорошо отражаются ее верхними областями (главным образом, слоем F₂, находящимся на высоте 300—500 км над землей). Это дает возможность ис­пользовать относительно маломощные радиостанции для ведения прямой связи в неограниченно широком диапазоне расстояний.

Частотная вместимость KB диапазона значительно больше, чем предшествующих диапазонов, что обеспечивает возможность одновременной работы большого числа радиостанций.

Антенны KB радиостанций при небольших габаритах обла­дают достаточно высокой эффективностью и вполне приемлемы для установки на подвижных объектах.

Радиосвязь ионосферными волнами может осуществляться, если применяемые частоты лежат ниже максимальных значений, определяемых для каждой протяженности линии радиосвязи сте­пенью ионизации отражающих слоев. Кроме того, 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. Первое из двух условий ограничивает верхний предел применимых частот, второе — нижний предел. Таким образом, ведение KB радиосвязи ионосферными волнами на задан­ное расстояние возможно лишь в определенном участке частот­ного диапазона. Ширина этого участка зависит от времени суток и года, а также от фазы цикла солнечной активности; его гра­ницы могут быть определены с помощью ионосферных карт (ионосферных прогнозов).

На рис. 2 показано типовое семейство суточных графиков максимально применимых час­тот (МПЧ) и наименьших при­менимых частот (НПЧ) для из­лучаемой мощности, равной 1 кВт. Это семейство соответст­вует определенным географичес­ким районам. Из семейства сле­дует, что фактически примени­мый диапазон частот для веде­ния связи на заданное расстоя­ние может оказаться весьма небольшим. При этом приходится считаться с тем, 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.

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

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

Существенное снижение качества KB радиосвязи ионосферны­ми волнами обязано замираниям сигналов, возникающим в силу непостоянства структуры отражающих слоев ионосферы, ее по­стоянного возмущения и многолучевого распространения волн. 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 от 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 флюктуаций 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 в 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 максимумов солнечной активности МПЧ повышаются, а области рабочих диапазонов частот расширяются.

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 с временем обращения Солнца вокруг своей оси, которое равно 27 суткам.

Кроме этих явлений нередко наблюдаются поглощения корот­ких волн в зоне полярных сияний и в полярной шапке, причиной которых является сильная ионизация нижних областей атмосфе­ры под воздействием проникающих в эти области космических частиц высоких энергий.

Основным видом KB радиосвязи является связь ионосферны­ми волнами, потому что они обеспечивают возможность создания линий самой различной протяженности при относительно невысо­ких мощностях радиопередатчиков. Это, конечно, не означает, что связь земными волнами исключается. Всегда существует некото­рая зона вокруг точки размещения передатчика, в пределах ко­торой напряженность поля поверхностной волны будет больше, чем напряженность поля ионосферной волны. Характерной осо­бенностью работы земной волной при правильно выбранной ан­тенне является отсутствие или ослабление замираний.

Рассмотренные нами особенности распространения коротких волн относятся к естественным состояниям ионосферы. Однако человек может оказывать сильное влияние на окружающую среду. В частности, ядерные взрывы в атмосфере могут вызвать искусственную ее ионизацию и вместе с этим существенно повли­ять на состояние KB радиосвязи. Нарушение связи на длитель­ный период может произойти из-за возникновения нижней об­ласти повышенной ионизации, экранирующей основной слой F₂. Очевидно, что KB радиосвязь в этих условиях возможна лишь при условии выноса точки отражения волн за пределы области возмущения атмосферы.

Несмотря на существование целого ряда причин, которые мо­гут привести к неустойчивости KB радиосвязи, она находит очень широкое применение. Основная ее привлекательность, как уже говорилось, состоит в возможности организации прямых связей на трассах самой различной протяженности при низких энергети­ческих затратах.

Ультракороткие волны включают в себя ряд участков частот­ного диапазона, обладающих огромной частотной емкостью.

Естественно, что эти участки в значительной степени отлича­ются один от 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.

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 существенно зависит от длины волн. Наибольшая дальность достигается на метровых вол­нах (MB), особенно на волнах, примыкающих к KB 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. При нормальном состоянии тропосферы (при равномерном убывании температуры с высотой) луч, соединяющий корреспондирующие радиостанции, искривляется выпуклостью вверх, что и обеспечи­вает ведение связи на закрытых трассах. Коэффициент преломле­ния тропосферы не остается постоянным во времени, что связано с вариациями метеорологических условий, а это приводит к зами­раниям сигналов, но в отличие от замираний на KB они очень медленные и неглубокие.

В диапазоне метровых волн нередко наблюдается дальнее распространение радиоволн, что обусловлено рядом причин.

Дальнее распространение может возникнуть при образовании спорадических ионизированных облаков (спорадического слоя F_s). Известно, что этот слой может появиться в любое время года и суток, однако для нашего полушария — преимущественно в кон­це весны и в 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 F_s, 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.

Наконец, дальнее распространение метровых волн может быть при осуществлении высотных ядерных взрывов. В этом слу­чае кроме нижней области повышенной ионизации возникает верхняя область (на уровне слоя F_s). 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 сильно 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 MB проходит на длине волны 10 м (30 МГц). Совершенно естественно, что 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.