книги из ГПНТБ / Листов, Константин Михайлович. Радио и радиолокационная техника и их применение

(ионосферы). Это характерно для диапазона средних и ча­ стично коротких радиоволн при связи на расстояния до

100—300 км.

Во втором случае (рис. 27,6) в точку приема ■приходят пространственные радиоволны, отраженные от слоев ионо­ сферы, находящихся на различных высотах. Такое явление наблюдается преимущественно на коротких волнах при связи на большие расстояния.

В третьем случае (рис. 27, в) в точку приема приходят радиоволны прямая и отраженная от поверхности земли. Это часто наблюдается в диапазоне УКВ при высоко поднятых антеннах станций, например на линиях радиорелейной связи в условиях равнинной или среднепересеченной мест­ ности.

В радиолокации интерференция волн, вызванная влиянием отражающей поверхности земли, резко видоизменяет диа­ грамму направленности антенны в вертикальной плоскости, в результате чего под различными углами наблюдения за целью образуются непросматриваемые зоны пространства, сокращается дальность обнаружения. Однако под некото­ рыми другими углами наблюдения в вертикальной плоскости дальность обнаружения цели может быть вдвое больше, чем при отсутствии интерференции.

ВЛИЯНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ П АТМОСФЕРЫ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Земная атмосфера, состоящая из воздуха и влаги, является основной средой, где распространяются радиоволны. Она де­ лится на три части (рис. 28) — тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Тропосфера — нижний слой атмосферы, простирающийся до высоты 10—15 км в зависимости от широты. Эта область атмосферы сильно влияет на распространение ультракорот­ ких радиоволн. В ней сосредоточена почти вся влага атмо­ сферы.

Над тропосферой на высоте от 10—15 км до 50—60 км находится стратосфера. Она мало влияет на распространение радиоволн, и при изучении распространения радиоволн ее обычно относят к тропосфере или ионосфере.

Ионосфера представляет собой верхнюю область атмо­ сферы, находящуюся на высоте примерно 60—800 км. Она состоит из нескольких ионизированных слоев.

Под влиянием солнечных лучей и так называемых косми­ ческих лучей в атмосфере происходит ионизация воздуха. Часть

59

шого давления отрицательные заряды долго существовать не могут; происходит процесс восстановления нейтральных мо­ лекул.

На все радиоволны, кроме ультракоротких, ионосфера оказывает большое влияние: она отражает их в той или иной степени в зависимости от частот радиоволн. Именно благо­ даря ионосфере существуют пространственные, или, как их иногда называют, ионосферные, волны.

Кроме, атмосферы, на распространение радиоволн влияет поверхность земли и ее предметы.

В радиосвязи радиоволны подразделяются на поверхност­ ные, распространяющиеся вдоль поверхности земли, и про­ странственные, распространяющиеся под различными углами к линии горизонта (рис. 27 и 29) и отражающиеся от ионо­ сферы.

Поверхностные радиоволны. Распространение поверхност­ ных волн сильно зависит от электрических свойств почвы, рельефа местности и растительности.

Распространяясь вдоль земной поверхности, радиоволны возбуждают токи проводимости в почве, расходуя часть своей энергии на ее нагрев — поглощение.

Поглощение энергии радиоволн тем больше, чем выше их частота (чем короче длина волны) и меньше проводимость земной поверхности, так как при меньшей проводимости земли радиоволны глубже проникают в почву. При более низких частотах и повышенной проводимости почвы радио­ волны возбуждают токи в очень тонком поверхностном слое, экранируя тем самым более глубокие области почвы и пре­ пятствуя проникновению в них радиоволн.

Пересеченная местность с густой растительностью допол­

60

нительно ослабляет поверхностные радиоволны, причем тем больше, чем выше частота.

К положительным свойствам поверхностных радиоволн относятся постоянство условий их распространения и малая зависимость от времени суток, года и состояния атмосферы. Их недостаток — ограниченная дальность распространения вследствие поглощения земной поверхностью. Для повыше­ ния дальности радиосвязи поверхностными радиоволнами, особенно в диапазоне коротких волн, требуются более мощ­ ные передатчики и громоздкие антенны.

Поверхностные радиоволны широко используются для ра­ диосвязи в тактических звеньях управления различных родов войск и видов вооруженных сил.

Пространственные радиоволны используются в радиосвязи для передач на большие расстояния.

Излученные под углом к земной поверхности (рис. 29) пространственные волны достигают ионосферы и, отражаясь от нее, возвращаются на землю на больших расстояниях от места излучения. При этом часть энергии волны, большая или меньшая в зависимости от частоты волны, поглощается ионосферой.

Физическая картинаотражения и поглощения простран­ ственной волны заключается примерно в следующем.

Скорость распространения радиоволн в ионосфере умень­ шается по мере проникновения их из электрически менее плотной области в электрически более плотную. Это приводит к изменению направления распространения волны и ее воз­ вращению на поверхность земли. Отражение пространствен­ ных волн от ионизированных слоев ионосферы можно объ­ яснить также переизлучением волн ионосферой. При этом

Рис. 29. Поверхностные н пространственные радиоволны

61

ионизированный слой рассматривают как поверхность прово­ дящей сферы, в которой индуктируются высокочастотные токи под действием падающих, т. е. первичных, волн. Эти токи порождают вторичные волны, которые достигают поверхности земли. Чем выше степень ионизации ионосферы, чем ниже ча­ стота и меньше крутизна радиолуча, тем легче происходит отражение от ионосферы.

Поглощение энергии волн в ионосфере заключается в том, что радиоволна, проникая в толщу ионосферы, возбуждает в ней колебания свободных электронов. Размах этих коле­ баний тем больше, чем длиннее волна при данной напряжен­ ности поля. Иначе говоря, чем длиннее волна, тем большей интенсивности колебания свободных электронов она вызы­ вает, тем больше расходуется энергии на нагревание среды, т. е. поглощение энергии ионосферой.

Различают четыре регулярных слоя, или максимума, ионо­ сферы, в той или иной степени влияющих на распростране­ ние пространственных волн.

На высоте 60—90 км над уровнем моря в дневное время образуется слабо ионизированный слой D. Этот слой почти не способен отражать радиоволны, он их только -поглощает, и тем сильнее, чем длиннее волна.

На высоте 90—130 км постоянно существует слой Е, имеющий значительно большую электронную концентрацию, чем слой D. От него хорошо отражаются длинные и средние волны, а короткие волны в нем сильно поглощаются.

На высоте 200—600 км находится ионизированный слой F. Он имеет очень высокую электронную концентрацию в тече­ ние суток и года и играет основную роль в распространении коротких радиоволн. В дневное время летом слой F расщеп­ ляется на два слоя — Fi и F2.

В средних широтах слой /д находится на высотах прибли­ зительно 180—220 км, а слой F2— на высотах 220—600 км. Слой F2 имеет очень высокую электронную концентрацию и является основным отражающим слоем для коротких, а иног­ да и длинноволновой части ультракоротких радиоволн.

На высоте слоя Е образуется нерегулярно существующий слой Es, характеризующийся весьма высокой электронной концентрацией. Он хорошо отражает короткие волны и длин­ новолновую часть ультракоротких волн.

Каждый ионизированный слой имеет свою критическую частоту — важный параметр, с которым связано определение рабочих частот.

Критическая частота — это наивысшая частота fa верти­ кально падающего на слой ионосферы радиолуча, при кото­ рой радиоволны, отражаясь от слоя, возвращаются на зем­ ную поверхность. Все частоты выше fo не отражаются дан­ ным слоем.

62

Значения критических частот неодинаковы для разных географических пунктов земного шара и непостоянны в

концентрация ионизированных слоев и высота их над землей определяются интенсивностью воздействия солнечного излу­

положения Земли и Солнца в пространстве, так и от солнеч­ ной активности, определяемой количеством пятен на Солнце. Электронная концентрация ионизированных слоев возра­ стает, а критические частоты повышаются с приближением к экватору. С приближением к полюсам электронная концен­ трация уменьшается, а критические частоты понижаются.

Солнечная деятельность циклически изменяется с тече­ нием времени от максимума к минимуму. Длительность цикла равна примерно 11 годам. 1957 г. характеризовался самой вы­ сокой деятельностью Солнца.

Критические частоты определяются специальными ионо­ сферными станциями. Это необходимо для расчета рабочих частот связи пространственной волной на различные рас­ стояния.

По данным, получаемым на ионосферных станциях, со­ ставляются радиопрогнозы, служащие для определения опти­ мальных рабочих частот на конкретных радиотрассах.

Радиопрогнозы могут быть либо долгосрочными, опреде­ ляющими диапазон применимых частот на 11-летний период изменения солнечной деятельности, на годичный цикл изме­ нения состояния ионосферы (годовые прогнозы) или на каж­ дый месяц (месячные прогнозы), либо краткосрочными, опре­ деляющими диапазон частот на короткий промежуток вре­ мени, например на сутки.

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНОВ

Длинные и сверхдлинные радиоволны (длиннее 1000 м)

распространяются как поверхностной, так и пространствен­ ной волной. Поверхностная волна сравнительно хорошо оги­ бает кривизну Земли или неровности, но вследствие погло­ щения в почве распространяется на ограниченные дальности.

в ионосфере, и потому дальность ее распространения резко ограничена. Для перекрытия больших расстояний с помощью

63

длинных и сверхдлинных радиоволн потребовались бы пере­ датчики очень большой мощности.

Весьма ценное свойство длинных и сверхдлинных радио­ волн — независимость условий их распространения от метео­ рологических факторов и от изменений верхних слоев атмо­ сферы в течение суток и года. Однако аппаратура данного диапазона волн получается громоздкой и тяжелой. Она при­ меняется для связи (преимущественно односторонней) с под­ водными лодками, поскольку длинные волны могут сравни­ тельно глубоко (на десятки метров) проникать в воду. При этом используются передатчики мощностью до 1000 и более киловатт [55].

Сверхдлинные и длинные радиоволны применяются в ра­ дионавигационной технике, а также для связи в полярных широтах.

Средние радиоволны (100—1000 м) имеют несколько иные условия распространения, чем длинные. Днем наблюдаются только поверхностные волны, так как пространственные волны (длиннее 300 м) практически полностью поглощаются в ионо­ сфере, главным образом в слое D. Ночью, с исчезновением слоя D, поглощение в ионосфере уменьшается, вследствие чего на пространственных волнах, отражающихся от более высоких слоев ионосферы, можно поддерживать связь на рас­ стояниях 1500—2000 км при мощности передатчика около 1 кет. Пространственные волны этого диапазона имеют сезон­ ную зависимость: они проходят значительно лучше зимой, чем летом.

Дальность распространения поверхностных волн вслед­ ствие их значительного (по сравнению с длинными волнами) поглощения в почве сокращается, особенно на коротковолно­ вом участке этого диапазона при распространении над сухой песчаной почвой (например, в пустыне).

На средних радиоволнах становятся заметными помехи радиоприему как промышленные (от работающих электриче­ ских устройств), так и атмосферные (от грозовых разрядов), а в диапазоне 100—300 м ночью наблюдаются сильные по­ мехи от дальних радиостанций.

Большое достоинство средних радиоволн состоит в том, что они не подвержены влиянию ионосферных возмущений и условия их распространения практически не зависят от 11-летнего периода солнечной активности, за исключением радиоволн длиной 100—300 м. Однако и этим волнам свой­ ственны замирания,сигналов в точке приема вследствие интер­ ференции волн.

Для средневолнового диапазона можно создать автомо­ бильные и переносные радиостанции приемлемых габаритов и весов. Такие станции особенно полезны в полярных райо­ нах, где из-за сильных и частых ионосферных возмущений

64

ностной волной на расстояния от нескольких десятков до

200—300 км.

Согласно международному соглашению на волнах длиной около 600 м (частоты 485—515 кгц) передаются сигналы бед­ ствий (сигналы SOS).

Средневолновый диапазон широко используется для ра­ диовещания; в нем работает много тысяч вещательных ра­ диостанций большой мощности, которые могут создавать помехи связным станциям, работающим в этом диапазоне.

Короткие радиоволны (10—100 м) имеют более резко вы­ раженную зависимость распространения пространственной волны от состояния ионосферы. Поверхностные волны корот­ коволнового диапазона значительно больше, чем средние волны, поглощаются почвой и хуже огибают выпуклость Земли. Дальность их распространения обычно составляет де­ сятки и реже несколько сотен километров (при мощности пе­ редатчика 0,2—1 кет).

В этом диапазоне основную роль играют пространствен­ ные волны, которые, отражаясь от самых высоких слоев ионо­ сферы и от поверхности земли, могут распространяться на тысячи и даже десятки тысяч километров при сравнительно небольшой мощности передатчика.

Способность коротких радиоволн хорошо отражаться от ионосферы весьма важна не только для дальней связи. За счет пространственной волны с помощью радиостанций малой мощности можно получить радиосвязь и между сравнительно близкими пунктами, разделенными высокими горными хреб­ тами, полностью экранирующими поверхностные волны. Для этого необходимо рабочую частоту выбрать несколько меньше

Такой выбор рабочих волн широко применяется в войсковой практике, особенно в условиях гористой или резко пересечен­ ной местности, а также в условиях сильных помех радио­ приему.

Пространственные короткие волны при отражении от ионо­ сферы пронизывают ионизированный слой Е в прямом и об­ ратном направлениях. При этом значительная часть энергии волн поглощается при данной крутизне луча тем боль­ ше, чем меньше частота волны и чем выше плотность иониза­ ции слоя. Поэтому для связи в определенных условиях ста­ раются выбирать частоты несколько выше некоторой крайней частоты, называемой предельной частотой по поглощению (ПЧП). Эта частота служит нижней предельной границей

применимых для связи частот. С другой стороны, нельзя брать и очень высокие частоты, так как они не будут отра­ жаться от слоя F2, т. е. такие волны будут пронизывать всю ионосферу, не возвращаясь на поверхность земли. Крайнюю частоту, выше которой волны не отражаются ионосферой при данной крутизне луча, называют предельной частотой по от­ ражению (ПЧО). Она служит верхней границей применимых частот.

Таким образом, для определения оптимальных рабочих частот связи распространяющихся пространственных волн необходимо знать прежде всего нижний и верхний пределы применимых частот и не выходить из этих пределов.

Как нижние, так и верхние предельные частоты зависят от плотности ионизации слоев Кг и Е, т. е. от условий сол­ нечной освещенности атмосферы на трассе связи. Определяют эти частоты по радиопрогнозам. В зависимости от прохож­ дения коротких волн за сутки в летнее время радиолюбители обычно делят эти волны на дневные (15—25 м), ночные (40—60 м) и промежуточные (25—40 м) , используемые утром и вечером.

Для коротких радиоволн в большей степени, чем для сред­ них, характерно замирание сигналов, т. е. беспорядочное из­ менение напряженности поля в точке приема вследствие ин­ терференции радиолучей.

При работе на коротких волнах встречаются такие участки поверхности земли, где прием сигналов передатчика стано­ вится невозможным ни на поверхностных, ни на простран­ ственных волнах. Это так называемые зоны молчания, или мертвые зоны (рис. 30). Они простираются от пункта затуха­ ния поля поверхностной волны до пункта прихода на землю отраженной от ионосферы волны. Очевидно, при заданной длине волны величина зоны молчания зависит от крутизны излучаемых радиоволн и высоты отражающего слоя.

Условия отражения коротких радиоволн определяются со­ стоянием ионизированного слоя К2.

Строение и электронная концентрация этого слоя часто нарушаются вследствие неравномерности солнечного излуче­ ния, вызывающей так называемые ионосферные возмущения и магнитные бури. В результате энергия коротких радиоволн значительно поглощается, что ухудшает радиосвязь, даже иногда делает ее совсем невозможной. Особенно часто ионо­ сферные возмущения наблюдаются на широтах, близких к по­ люсам. Поэтому там, коротковолновая радиосвязь ненадежна.

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

В диапазоне коротких радиоволн сильно оказывается влияние станционных (взаимных) помех радиоприему, Этот

66

диапазон перегружен одновременно работающими радиостан­ циями. Поэтому взаимные помехи (особенно ночью) зачастую бывают основным фактором, определяющим дальность дей­ ствия коротковолновых радиостанций.

Рис. 30. К понятию о зонах молчания

Ультракороткие радиоволны (УКВ, волны короче 10 м)

распространяются как вдоль поверхности земли — в преде­ лах видимого горизонта, так и путем рассеянного отражения от неоднородностей в тропосфере и ионосфере — далеко за пределы прямой видимости. На особенностях их распростра­ нения остановимся подробнее.

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН

Чем короче радиоволны, тем они по свойствам и харак­ теру распространения ближе к световым волнам. Поэтому считают, что ультракороткие радиоволны подобно световым распространяются прямолинейно и дальность их распростра­ нения, т. е. дальность радиосвязи, ограничивается пределами прямой (геометрической) видимости:

штырь, то за высоту антенны следует считать расстояние отсередины штыря до уровня земли,

На практике в связи с тем, что ультракороткие волны в не­ большой степени обладают способностью огибать препят­ ствия, дальность связи обычно превышает дальность, найден­ ную по приведенной формуле.

Способность огибать препятствия выражена тем больше, чем длиннее волна.

Д а л ь н о с т ь и н а д е ж н о с т ь у л ь т р а к о р о т к о ­

диостанции, рельефа местности и проводимости почвы на трассе связи.

Ту или иную антенну необходимо выбирать в зависимо­ сти от способа организации радиосвязи (по радиосети или ра­ дионаправлению, см. главу IV), характера работы (на ходу или на стоянке), требуемой дальности связи, условий местно­ сти и боевой обстановки.

Для связи по радиосети, когда корреспонденты располо­ жены в различных направлениях, надо применять штыревую антенну, не обладающую направленным действием в горизон­ тальной плоскости. При необходимости работы из укрытия штыревую антенну целесообразно выносить на открытое ме­ сто, устанавливать ее с помощью кронштейна на местные предметы и соединять с радиостанцией высокочастотным ка­ белем типа РК-1 (РК-З, РК-49) длиной до 15 м.

Дальность действия радиостанции, работающей на штыре­ вую антенну на среднепересеченной местности со средней проводимостью почвы, достигает 6—8 км. При подъеме шты­ ревой антенны на мачту высотой 10—12 м дальность связи может увеличиться в 2—3 раза.

Во всех случаях связи по радионаправлению рекомен­ дуется применять антенну бегущей волны, обладающую резко выраженным направленным действием. Это позволяет увели­ чить дальность действия радиостанции до 25—30 км. Такую антенну целесообразно также применять при работе из укрытий.

Примеры развертывания радиостанций с различными ти­ пами антенн в различных условиях показаны на рис. 31.

Как известно, на диаграмму направленности антенны и распространение радиоволн влияет не только местность, но и местные предметы (здания, лес, металлические сооружения, провода и т. д.). Поэтому в населенном пункте радиостанцию по возможности надо располагать в верхнем этаже здания или на чердаке с неметаллической крышей. В каменном здании ее следует развертывать в помещении с окнами, обращенными

ккорреспонденту.

Вкрупном населенном пункте, где на качество связи сильно влияет интерференция радиоволн, место расположения

68