Умови поширення радіохвиль.

Надежность прохождения радиоволн на пути от передающей до приемной антенны определяет устойчивость работы радиолинии Радиоволны, излучаемые передающей антенной, могут распространяться в атмосфере, в космосе, вдоль поверхности земли и в толще земли или воды. При этом различают следующие способы распространения радиоволн

Радиоволны, излучаемые из точки передачи, могут распространяться в атмосфере, вдоль поверхности земли, в толще земли и в космосе.

В однородной или слабо неоднородной среде радиоволны попадают в пункт приема по прямолинейным или близким к ним траекториям. Такие волны будут называться прямыми. Радиосвязь прямой войной (или прямым лучом) осуществляется лишь при наличии прямой (или геометрической) видимости между антеннами корреспондентов, как, например, на радиолинии с самолетом. При расположении антенн корреспондентов вблизи земной поверхности дальность прямой видимости ограничена сферичностью и неровностями рельефа земной поверхности и составляет несколько десятков километров. При радиосвязи на более значительные расстояния радиоволны попадают в пункт приема вследствие рефракции, дифракции, отражения и рассеяния. Эти явления обусловлены влиянием поверхности земли, неоднородности тропосферы (нижний Слой атмосферы толщиной до 15 км) и ионосферы (ионизированная область атмосферы на высотах 60 - 1000 км).

Радиоволны распространяются в пустоте и в атмосфере; земная твердь и вода для них непрозрачны. Однако, благодаря эффектам дифракции и отражения, возможна связь между точками земной поверхности, не имеющими прямой видимости (в частности, находящимися на большом расстоянии).

Распространение радиоволн от источника к приёмнику может происходить несколькими путями одновременно. Такое распространение называется многолучёвостью. Вследствие многолучёвости и изменений параметров среды, возникают замирания (англ. fading) — изменение уровня принимаемого сигнала во времени. При многолучёвости изменение уровня сигнала происходит вследствие интерференции, то есть в точке приёма электромагнитное поле представляет собой сумму смещённых во времени радиоволн диапазона.

Строение атмосферы Земли.

В земных условиях радиоволны распространяются в атмосфере. Атмосферу разделяют по высоте на три области: тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Земля является проводником тока, хотя и не такой хороший, как медные провода. Земная атмосфера состоит из трех слоев.

Первый слой, верхняя граница которого кончается в 10-12 км от поверхности Земли, называют тропосферой.

Над ним, километров до 50 от поверхности Земли, второй слой - стратосфера.

А выше, примерно до 400 км над Землей, простирается третий слой - ионосфера. Ионосфера играет решающую роль в распространении радиоволн, особенно коротких.

Рисунок 5.7 - Пути распространения радиоволн.

Нижняя область – тропосфера простирается до высоты 7…10 км в полярных районах 16…18 км над экватором. Тропосфера переходит в стратосферу, верхняя граница которой находится на высоте около 50…60 км. Стратосфера отличается от тропосферы почти полным отсутствием водяного пара, осадки образуются только в тропосфере. Тропосфера и стратосфера влияют только на распространение УКВ.

На распространение УКВ заметное влияние оказывает нижняя часть атмосферы – тропосфера. За счет искривления траектории радиоволн в тропосфере в некоторых случаях возможно распространение УКВ за пределы прямой видимости.. Искривление траектории радиоволн в тропосфере называется тропосферной рефракцией.

Если радиоволны распространяются вдоль земной поверхности, то на всем пути движения происходит поглощение энергии в полупроводящей земле. К этому добавляется ослабление волны за счет дифракции на выпуклости земли. На радиолинии с антеннами, расположенными около поверхности земли, радиоволны распространяются вблизи нее На всём пути волны происходит поглощение ее энергии в полупроводящей земле. К этому добавляется ослабление волны за счёт дифракции (отгибания пре­пятствия) на выпуклости земли. Радиоволны, распространяющиеся вблизи земной поверхности и частично огибающие ее за счёт дифракции, называют земными радиоволнами.

Дальность связи земной волной измеряется сотнями километров и зависит от длины волны, мощности радиопередающего устройства, поляризации волны и электрических параметров поверхности земли.

Чем больше длина волны, тем меньше потери в земле и дифракционное ослабление. Поэтому радиосвязь земной волной используют в диапазонах СДВ, ДВ и СВ, а также в диапазонах KB и MB для работы в движении и для связи на малых расстояниях (единицы и десятки километров)

В диапазоне УКВ для значительного уменьшения потерь в земле и увеличение дальности прямой видимости используют поднятые антенны, При этом земную радиоволну, распространяющуюся за пределы прямой видимости, путём дифракции, называют b>дифракционной радиоволной.

Рисунок 5.1 – Распространение радиоволн в пределах прямой видимости

Кроме прямой волны в точке приема приходит волна, отраженная от поверхности Земли. Поле вблизи приемной антенны образуется за счет сложения (интерференции) этих волн.

Распространение ДВ и СДВ в виде земной волны происходит на расстоянии порядка нескольких сотен или тысяч километров. На более значительные дальности (вплоть до антипода) проявляется влияние ионосферы и имеет место волновое распространение, при котором волны распространяются в сферическом волноводе-резонаторе, образованном ионосферой и землёй. Радиосвязь, осуществляемая на расстояния до и более 1000 км, может происходить за счет отражения волны от ионосферы (также составной части атмосферы) и земли. Ионосфера способна отражать радиоволны длиннее примерно 10м. Благодаря этому, короткие волны могут распространяться последовательным отражением от ионосферы и земли на любые дальности. Кроме того, в результате рассеяния на мелких неоднородностях ионосферы обеспечивается распространение и более коротких (метровых) волн на расстоянии от 800 до 2000 км.

Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, будем называть ионосферными волнами.

На распространение радиоволн короче 10м существенное влияние оказывает тропосфера. Она неоднородна как в вертикальном, так и горизонтальном направлениях. Благодаря плавному (в среднем) убыванию коэффициента преломления с высотой, возникает рефракция (искривление траектории) радиоволн, способствующая огибанию земной поверхности и увеличивающая дальность прямой видимости, составляющей на равнине десятки километров.

При некоторых метеорологических условиях возникают области быстрого изменения коэффициента преломления с высотой, обладающие отражающим и направляющим (волноводным) действием и обеспечивающие распространение УКВ на большие расстояния - до 1000 км и более. Однако более важное практическое значение имеет регулярное распространение УКВ на расстоянии до 600 -1000 км за счет рассеяния на мелких неоднородностях тропосферы. Радиоволны, распространяющиеся за счет рассеяния в тропосфере и ее направляющего действия на расстояния, значительно превышающие дальность прямой видимости и дифракции, называют b>тропосферными волнами.

Таким образом, тропосфера оказывает влияние на распространение прямых земных волн и обеспечивает дальнее распространение тропосферных волн.

Дециметровые и сантиметровые волны рассеиваются на неоднородностях тропосферы. Рассеянные неоднородностями радиоволны распространяются в различных направлениях, в том числе и в направлении приемной антенны (рис.В.3). За счет тропосферного рассеяния также возможна радиосвязь за пределами прямой видимости. Однако в основном на УКВ на дальних трассах применяется радиорелейная связь.

Рисунок 5.4 - Распространение радиоволн за счет рассеяния в тропосфере.

Рисунок 5.5 - Пути распространения радиоволн при радиорелейной и спутниковой связи.

Практическое значение имеет распространение тропосферной волны на расстояния 600-1000 км.

Электромагнитные колебания, излучаемые передатчиком посредством антенны, можно представить в виде двух лучей:

- поверхностного, распространяющегося вдоль земли,

- пространственного, направленного под некоторым углом к горизонту (не более 90 градусов).

Антенны радиостанций излучают радиоволны как вдоль земной поверхности, так и вверх под различными углами к ней. Волны, идущие первым путем, называют земными или поверхностными, а вторым путем - пространственными.

По условиям распространения обе радиоволны сильно отличаются друг от друга. Поверхностная волна распространяется на границе двух сред – воздуха и земли. Поверхностная волна распространяется вдоль поверхности земли, и благодаря явлению дифракции она способна огибать кривизну земли и распространятся на приличные расстояния. Чем ниже частота сигнала (чем больше длина волны) тем больше дальность распространения сигнала (чем больше длина волны, тем легче она огибает препятствие, тем на большее расстояние распространяется земная волна).

При прохождении электромагнитных волн вдоль земли возникают большие потери энергии, так как земля в зависимости от структуры почвы может являться проводящей средой. Наибольшее поглощение электромагнитных волн происходит над песчаной и скалистой поверхностям, а наименьшее – над морем.

Рисунок 5.2 – Распространение пространственной и поверхностной волн.

На высоте свыше 60 км воздух находится в ионизированном состоянии. Эту область называют ионосферой. Ионосфера в той или иной степени влияет на распространение радиоволн всех диапазонов, так как радиоволны вызывают в ней движение свободных зарядов. Главной причиной ионизации воздуха и образования ионосферы является излучение Солнца. Установлено, что ионизацию атмосферы могут вызывать только ультрафиолетовые лучи.

Наряду с ионизацией в атмосфере происходит рекомбинация, т.е. воссоединение ионов и электронов в нейтральные молекулы. В сильно разреженных областях атмосферы рекомбинация происходит сравнительно медленно, так как ионы и электроны нечасто сталкиваются друг с другом. Поэтому после захода Солнца ионизация в верхних слоях ионосферы сохраняется долго.

Степень ионизации ионосферы характеризуется электронной концентрацией N, т.е. количеством свободных электронов в единице объема. Электронная концентрация зависит от высоты ионосферного слоя и теоретически на некоторой высоте должна иметь максимум. Существование максимума связано с тем, что с одной стороны, с высотой увеличивается интенсивность ионизирующих потоков, а с другой – уменьшается плотность ионизируемого воздуха. В действительности вследствие неоднородности верхней атмосферы электронная концентрация изменяется с выстой немонотонно, в ионосфере наблюдается несколько максимумов N различной интенсивности.

Пространственные короткие волны, проникая в слои ионосферы и достигнув определенной высоты, преломляются в них и, отразившись от одного из слоев, вновь направляются к земле. Отразившись от земли, они вновь возвращаются в ионосферу и так далее.

Пространственная волна распространяется при помощи отражения от ионосферы земли. Поверхностные волны характеризуются критической частотой ионосферы (Fкр) - это наибольшая частота радиосигнала, при которой он, излученный вертикально, еще отражается от ионосферы. При частоте F>Fкр сигнал будет отражаться от ионосферы, а при F < Fкр отражаться уже не будет и свободно пройдет сквозь ионосферу. Если же пространственная волна падает на слой ионосферы не под прямым углом, а наклонно, то отражение радиоволны будет происходить на частоте, превышающей критическую. Наибольшая частота, при которой сигнал при фиксированном угле ее падения на ионосферу (β) еще может от нее отражаться, называется максимально применимой частотой МПЧ (Fм), и определяется:

Fм = Fкр/sinβ

Радиоволна, распространяющаяся за счет отражения в ионосфере, называется ионосферной.

Рисунок 5.3 – Максимально применимая частота МПЧ.

В дневные часы, особенно в летнее время, слои воздуха, расположенные непосредственно над землей, под воздействие солнечного излучения, ионизируются. Ионизированные слои также поглощают часть электромагнитных волн. Особенно сильно поглощаются длинные волны.

Для коротковолновой радиосвязи наибольший интерес представляет область ионосферы, находящаяся на высотах от 50 до 400 км. Однако область ионизированного газа распространяется много выше, до 1000 км и далее.

Рисунок 5.6 - Путь радиоволн.

Несколько подробнее остановимся на строении ионосферы.

Ионосфера - верхняя (от высот 50 - 80 км) часть земной атмосферы с повышенным содержанием заряженных частиц (электронов и ионов). Заряженные частицы в атмосфере появляются в основном в результате ионизации. Главным источником ионизации являются солнечные излучения, несущие около 99% ионизирующей энергии.

Радиоволна, распространяющаяся за счет отражения в ионосфере, называется ионосферной.

Рисунок 5.8 – Пути распространения земной и ионосферной волны

Воздух в ионосфере сильно разрежен. Под действием солнечных излучений там из атомов газов выделяется много свободных электронов, в результате чего появляются положительные ионы. Происходит, как говорят, ионизация верхнего слоя атмосферы. Ионизированный слой способен поглощать радиоволны в искривлять их путь. В течение суток в зависимости от интенсивности солнечного излучения количество свободных электронов в ионизированном слое, его толщина и высота изменяются, а от этого изменяются и электрические свойства этого слоя.

Степень ионизации ионосферы характеризуется электронной концентрацией N, т.е. количеством свободных электронов в единице объема. Электронная концентрация зависит от высоты ионосферного слоя и теоретически на некоторой высоте должна иметь максимум. Существование максимума связано с тем, что с одной стороны, с высотой увеличивается интенсивность ионизирующих потоков, а с другой – уменьшается плотность ионизируемого воздуха. В действительности вследствие неоднородности верхней атмосферы электронная концентрация изменяется с выстой немонотонно, в ионосфере наблюдается несколько максимумов N различной интенсивности.

Зависимость электронной концентрации N от высоты экспериментально определяется с помощью ионосферных станций. Ионосферная станция излучает в вертикальном направлении радиоимпульсы и измеряет время запаздывания отраженного импульса т. Высота h_д, на которой произошло отражение, определяется в предположении, что импульс распространяется со скоростью света в вакууме:

Эта высота, называемая действующей высотой отражения, больше истинной высоты отражения, так как в действительности импульс в ионосфере распространяется не со скоростью с, а с групповой скоростью V_гр. и, которая меньше скорости света.

Зависимость действующей высоты от частоты называется высотно-частотной характеристикой ионосферы.

Наибольшая частота радиоволны, отражающейся при вертикальном падении на ионосферу, называется критической частотой.

В ионосфере имеется несколько слоев, от которых происходит отражение радиоволн, т.е. существуют несколько максимумов электронной концентрации.

Поскольку характеристики ионосферы зависят от солнечной активности, времени года и суток, их можно прогнозировать, наблюдая за изменениями солнечной активности. Прогнозы ионосферного распространения радиоволн составляются Институтом земного магнетизма и распространения радиоволн Академии наук.

Условия распространения радиоволн различных участков диапазона имеют свои особенности. Однако можно отметить и некоторые общие закономерности.

Так, например, поглощение радиоволн земной поверхность увеличивается с ростом частоты (уменьшением длины волны). Поглощение радиоволн земной поверхностью тем меньше, чем больше удельная проводимость и относительная диэлектрическая проницаемость почвы (водной поверхности).

Поглощение и преломление радиоволн в ионосфере тем больше, чем больше степень ионизации ионосферы и чем длиннее волна (меньше частота).

Изменение параметров ионосферы во времени оказывает сильное влияние на условия распространения ионосферных радиоволн, которое должно учитываться при выборе рабочих частот линий радиосвязи.

Траектория радиоволн в ионосфере приблизительно постоянна. Концентрация токов N с выстой увеличивается до максимума, а затем уменьшается.

Для отражения волны необходимо, чтобы ниже слоя фронт волны расположился перпендикулярно границе слоя. Если условие отраженияне выполняется, то фронт волны не повернет в сторону Земли и волна уйдет в мировое пространство, это объясняется тем, что верхняя граница фронта окажется в области с меньшей концентрациейN, т.е. с большим значение n и с меньшей фазовой скоростью.

Разобьем ионосферу на участки, где , не изменяется скачком на границе раздела преломление под угломна каждом участке преломления.

Рисунок 5.12 - Траектория радиоволн в ионосфере

Т.е. при меньшей концентрации диэлектрической проницаемости ионизированного газа обращается в поле как волна в длинной линии отражается от разомкнутого конца (веревка без крепления).

Радиоволны разных диапазонов обладают неодинаковыми свойствами, влияющими на дальность их распространения. Волны одной длины, преодолевают большие расстояния, волны, другой длины "теряются" за пределами горизонта. Бывает так, что радиосигнал превосходно слышен где-то по ту сторону Земля или в Космосе, но его невозможно обнаружить в нескольких десятках километров от радиостанции.

Так, например, сигналы радиостанции, работающей на волне длиной 300-400 м, могут быть приняты на расстоянии в два-три раза меньшем, чем сигнала станции такой же мощности, но работающей на волне длиной 1500-2000 м. Чтобы повысить дальность действия этих станций, приходится увеличивать их мощность.

Если бы мы настроили приемники на рядом расположенные радиостанции, работающие в диапазонах ультракоротких, коротких, средних и длинных волн, то, удаляясь от станций, смогли бы наблюдать такое явление: уже в нескольких десятках километров прекратился бы прием ультракоротковолновой и коротковолновой станций, через 800-1000 км перестали бы слышать передачи средневолновой станции, а через 1500-2000 км - и передачи длинноволновой станции. Но на большем расстоянии мы смогли бы услышать передачу коротковолновой станции.

Рисунок 5.9 – Зависимость N от h.

На рисунке изображена типичная для дневного времени летом, когда в ионосфере наблюдается наибольшее число слоев.

В табл. 3.1.1 приведены основные данные ионосферных слоев для средних географических широт и указаны наблюдаемые пределы изменения их параметров

Таблица 5.1 - Основные данные ионосферных слоев

Слой	hд, км	N, 1/м3	V 1/С	f0, МГц
D	60…80	108…109	107	0,1…0,7
E				0,6…0,4
F1				4,0…6,0
F2				4,0…13,0

Строение ионосферы определяется величиной и характером зависимости концентрации заряженных частиц от высоты и времени. Степень ионизации ионосферы определяется количеством свободных электронов в единице объема - концентрацией (или плотностью) электронов. Концентрация электронов в ионосфере изменяется в зависимости от времени суток, сезона (зима, веска, лето, осень) и 11-летнего периода солнечной активности. Концентрация электронов зависит от высоты ионизированной области: с увеличением высоты приблизительно до 400 км концентрация электронов растет, достигая максимальной величины порядка 2х10¹² эл/м³, а затем начинает уменьшаться. В зависимости от электронной концентрации и ее стабильности принято разделять ионосферу по высоте на отдельные области или "слои", которые обозначаются латинскими буквами D, E, F₁, F₂ (рис.5.10 ).

Неоднородность земной атмосферы приводит к тому, что помимо главного наблюдается еще несколько максимумов концентрации заряженных частиц. Часть области ионосферы, содержащая относительный максимум электронной концентрации либо характеризующаяся резким изменением концентрации, называется слоем. В ионосфере можно выделить четыре регулярных слоя: D, E. F1 и F2

Рисунок 5.10 - Основные данные ионосферных слоев

Высоты слоев изменяются в течение суток, сезона и года.

Слой D образуется в области, где сравнительно велика плотность газа и рекомбинация свободных зарядов происходит быстро.

Поэтому это слой существует только днем и очень быстро исчезает после захода Солнца, когда прекращается ионизирующее воздействие. С наступлением темноты слой D исчезает. Летом критическая частота слоя D больше, чем зимой. Слой отражает мириатетровые, километровые и частично гектометровые волны, более короткие волны проходят через него, частично в нем поглощаясь.

Слой Е существует круглые сутки, но его электронная концентрация днем намного больше, чем ночью, и изменяется в соответствии с высотой Солнца над горизонтом. Слой Е днем, особенно летом, способен отражать декаметровые волны. Ночью декаметровые волны от слоя Е не отражаются. Гектометровые и более длинные волны отражаются от слоя в любое время года и суток.

При определенном наивысшем значении частоты отражение вертикально направленной радиоволны происходит на уровне с максимальной электронной концентрацией. Такая частота называется критической. Для каждого слоя существует свое значение критической частоты, которые обозначаются символами: f₀E, f₀F1, f₀F2 или f критич.

Зимой выше слоя Е существует только один максимум электронной концентрации – слой F. Его концентрация достигает максимума после полудня и минимума – утром.

Летом слой F расщепляется на два слоя F1 и F2. Электронная концентрация в слое F2 изменяется в течении суток менее сильно, чем в слое F зимой.

Особенностью слоя F является зависимость его свойств от географической долготы при одних и тех же условиях освещенности (долготный эффект). Слой F отражает декаметровые, иногда длинные метровые волны.

Рисунок 5.11 - Строение ионосферы

Область F₁, которая существует в основном летом, как и область (D) существует только в дневные часы и исчезает ночью.

Наиболее стабильной является область F₂ (№э =10⁹-2х10¹¹эл/м³). Область F₂ характеризуется резкими изменениями параметров в течение суток, года и периода солнечной активности.

Помимо изменений состояния ионосферы, связанных с временем года и суток, существуют также регулярные изменения, связанные с цикличностью солнечной активности. Многолетние наблюдения показали, что интенсивность корпускулярного и ультрафиолетового излучения Солнца изменяется с периодом, примерно равным 11 годам. Солнечная активность оценивается средним числом наблюдаемых на поверхности Солнца пятен. Число пятен увеличивается в годы максимума активности и уменьшается в годы минимума. В годы максимума солнечной активности критические частоты слоя F возрастают в 2…3 раза по сравнению с годами минимума.

Помимо регулярных слоев в ионосфере на высотах областей Е и F возникают нерегулярные так называемые спорадические слои E_S и F_S. Они представляют собой протяженные, но сравнительно тонкие области с повышенной электронной концентрацией. Критическая частота слоя E_S может превышать критическую частоты слоя F и слой E_S иногда может отражать метровые волны. В результате движения газов в ионосфере возникают неоднородности, в пределах которых электронная концентрация на несколько процентов отличается от средних для данного слоя значений. Эти неоднородности имеют протяженность в сотни метров и движутся со скоростью до сотен метров в секунду. За с чет метеоров сгорающих на высотах 80…120 км, возникают протяженные области с повышенной электронной концентрацией, существующие в течении долей секунды, а иногда и в течении минуты. Все вышеперечисленные неоднородности способны рассеивать метровые волны, что используется для радиосвязи.

Помимо спорадической ионизации в ионосфере возникают и другие нерегулярные явления. К ним относятся ионосферные возмущения (ионосферные бури). Они вызываются мощными потоками солнечных корпускул. Заряженные корпускулы под влиянием магнитного поля Земли начинают вращаться вокруг его силовых линий и приближаются к земной поверхности у магнитных полюсов. Корпускулярные потоки нарушают строение слоя F, разбивают его на отдельные облака. При этом зеркальное отражение радиоволн от слоя F может прекратится. В полярных широтах корпускулы проникают в нижнюю ионосферу, увеличивая ионизацию слоя D, что приводит к увеличению поглощения радиоволн. Движение заряженных частиц в атмосфере Земли вызывает изменение магнитного поля Земли, это изменение называют магнитной бурей.

Другим видом ионосферных возмущений является внезапное увеличение поглощения радиоволн в ионосфере, вызываемое вспышками рентгеновского излучения Солнца. Эти вспышки усиливают ионизацию слоев D и E, что резко увеличивает поглощение декаметровых волн. Увеличение поглощения наступает внезапно, только на освещенной стороне земного шара и длится от минут до одного – двух часов.

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 медленно, т.к. поглощение их энергии земной или водной поверхностью невелико.

При приеме сигналов станций длинноволнового Диапазона используется главным образом энергия поверхностных волн, которые хорошо огибают поверхность Земли. Но Земля, являясь проводником, поглощает энергию радиоволн. Поэтому по мере удаления от длинноволновой станции громкость приема ее передач постепенно падает и, наконец, прием совсем прекращается.

Ионосферная волна появляется при отражении от нижней области ионосферы (слои D и E). Глобальные связи на СДВ и ДВ осуществляются ионосферой и земной поверхностью. СДВ и ДВ обладают свойством проникать в толщу воды, а также свойством распространения в некоторых структурах почвы. Использование этих волн для ведения связи связано с некоторыми трудностями. Во-первых, геометрические размеры антенны должны быть соизмеримы с длиной волны, что не всегда выполнимо. Низкую эффективность антенн приходиться компенсировать увеличением мощности передатчика (до 100 кВт и более). Во-вторых, рассматриваемые участки диапазона обладают самой низкой частотной емкостью. Практические области применения СДВ и ДВ - это связь с подводными объектами, связь по глобальным магистральным линиям и подземная связь. Помехи, существенно влияющие на связь, отсутствуют.

Мириаметровые (СДВ) и километровые (ДВ) волны испытывают наименьшее поглощение земной поверхностью по сравнению с другими диапазонами радиоволн. Оки слабо поглощаются и нижними слоями D и Е ионосферы и в то же время хорошо отражаются этими слоями. Поэтому в диапазоне мириаметровых и километровых волн радиосвязь возможна как земными, так и ионосферными волнами на достаточно большие рас стояния. Радиосвязь на расстояния в несколько сот километров обычно осуществляется земной волной, а на дальности, превышающие 300 км, - ионосферной. Существенным недостатком данного диапазона волн, ограничивающим его широкое использование, является необходимость громоздких антенных устройств при весьма большой мощности радиопередатчиков. Другим существенным недостатком этого диапазона является его малая частотная емкость, которая определяется количеством одновременно работающих линий радиосвязи без создания взаимных помех.

Несмотря на отмеченные недостатки, мириаметровые и километровые волны находят практическое применение на магистральных линиях радиосвязи большой протяженности, а также для связи с объектами, расположенными под землей и под водой.

Гектометровые (СВ) волны в большей степени, чем мириаметровые и километровые волны, поглощаются земной поверхностью. Кроме того, в дневное время, когда существует ионизированная область D , наблюдается сильное поглощение: гектометровых волн в этом слое. Поэтому в дневное время радиосвязь в этом участке радиочастот возможна только земными волнами и на ограниченные расстояния. В ночное время, когда ионизированная область D исчезает и поглощение в ионосфере резко уменьшается, гектометровые волны, отражаясь от слоя Е, могут использоваться для обеспечения радиосвязи на значительно большие расстояния, чем в дневное время.

В вечернее и ночное время передачи радиостанций длинноволнового и средневолнового диапазонов можно слышать на больших расстояниях, чем днем. Дело в том, что излучаемая вверх часть энергии радиоволн этих станций днем бесследно теряется в атмосфере. После же захода Солнца нижний слой ионосферы искривляет их путь так, что они возвращаются к Земле на таких расстояниях, на которых прием этих станций поверхностными волнами уже невозможен.

Средние волны хуже огибают Землю и, кроме того, сильнее, чем длинные, поглощаются ею. Этим-то и объясняется меньшая "дальнобойность" средневолновых радиовещательных станций по сравнению с длинноволновыми.

Антенные устройства, используемые для излучения волн этого участка, менее громоздки и более эффективны, чем в диапазоне мириаметровых и километровых волн, что позволяет, использовать радиопередатчики меньшей мощности. К этому следует добавить, что частотная емкость данного диапазона волн более чем в 10 раз превосходит частотную емкость диапазона мириаметровых и километровых волн.

Недостатки гектометровых волн следует считать изменения условий их распространения в дневное и ночное время, Радиоволны это го участка диапазона используются в радиовещании, на флоте и для обеспечения радиосвязи на высоких широтах (в Арктике и Антарктике) при ионосферных и магнитных возмущениях, когда радиосвязь на других частотах оказывается невозможной. Участок СВ широко используется для работы радиовещательных станций.

Декаметровые волны (KB) занимают особое положение. Они могут распространяться и как земные и как ионосферные волны. Земные волны при относительно небольших мощностях передатчиков мобильных радиостанций распространяются на расстояния, не превышающие нескольких десятков километров, т.к. они испытывают значительное поглощение в земле. Поэтому дальность радиосвязи земной волной в декаметровом диапазоне не превышает 100-150 км.

Для коротковолновой радиосвязи наибольший интерес представляет область ионосферы, находящаяся на высотах от 50 до 400 км. Однако область ионизированного газа распространяется много выше, до 1000 км и далее.

Радиоволны коротковолнового диапазона сильно поглощаются Землей и плохо огибают ее поверхность. Поэтому уже в нескольких десятках километров от таких станций их поверхностные волны затухают. Но зато пространственные волны могут быть обнаружены приемниками в нескольких тысячах километрах от них и даже в противоположной точке Земли.

Искривление пути пространственных коротких волн происходит в ионосфере. Войдя в ионосферу, они могут пройти в ней очень длинный путь и вернуться на Землю очень далеко от радиостанции. Они могут совершить кругосветное "путешествие" - их можно принять даже в том месте, где расположена передающая станция. Этим и объясняется секрет хорошего распространения коротких волн на большие расстояния даже при малых мощностях передатчика.

Но короткие волны имеют и недостатки. Образуются зоны, где передачи. коротковолновой станции не слышны. Их называют зонами молчания (рис.1). Величина зоны молчания зависит от длины волны и состояния ионосферы, которое в свою очередь зависит от интенсивности солнечного излучения.

Пространственные короткие волны, проникая в слои ионосферы и достигнув определенной высоты, преломляются в них и, отразившись от одного из слоев, вновь направляются к земле. Отразившись от земли, они вновь возвращаются в ионосферу и так далее.

При приеме коротких волн наблюдаются периодические затухания силы сигнала, так называемые фединги. Они могут быть различны по своей периодичности и силе. Продолжительность замирания сигнала может колебаться от нескольких долей секунд до нескольких минут. Явления замирания (фединги) происходят оттого, что в точку приема приходит одновременно несколько электромагнитных лучей работающей станции, отраженных от разных точек ионосферы и прошедших разное расстояние. Напряженность электромагнитного поля в данной точке может при этом иметь различные фазы и, складываясь, или увеличивается или уменьшается до нуля.

Так как короткие волны распространяются под углом к земной поверхности, то в точке, где сигнал попал на землю, станция прослушивается четко и громко. Участки земной поверхности, где сигнал данной радиостанции, отраженный от ионизированного слоя, не прослушивается и куда не доходит поверхностная волна, называется зоной молчания («мертвая зона»).

Зона радиомолчания — зона приёма ослабленного радиосигнала или область пространства в которой приём сигнала не возможен вообще.

Эффекты ослабления сигнала, вплоть до полного, напрямую зависят от частоты (диапазона длин волн) электромагнитной волны (ЭМВ), условий и вида излучения и приёма сигнала, видов радиотрасс и способов распространения, а также окружающих условий на радиотрассе. Для каждого случая данный набор условий является уникальным и может объяснять те или иные причины невозможного радиоприёма.

Для начала, отсутствие сигнала может быть связано с достижением предельно возможного расстояния до передатчика, и как следствие ослабления ЭМВ при распространении в среде до минимальных значений напряжённости электромагнитного поля волны или мощности.

Также невозможность приёма может быть связана с особенностями излучения и распространения ЭМВ, например попадание приёмника в ноль диаграммы направленности передающей антенны или скачковым способом распространения с отражением от ионосферы Земли.

При распространении на расстояние прямой видимости от передатчика к приёмнику, на пути ЭМВ может возникнуть естественная или искусственная преграда. В этом случае, ослабление сигнала может быть связано с рассеянием или поглощением ЭМВ на таком экранирующем, поглощающем или переотражающем объекте.

Ещё одной причиной можно считать ослабление ЭМВ коротковолнового диапазона в случае интерференционного сложения нескольких лучей, в том числе, отражённых от препятствий.

Эффектом, сопоставимым с ослаблением сигналов, может быть распространение волны в условиях сложной электромагнитной обстановки. Наличие преднамеренных или случайных смежных сигналов или помех, с точки зрения электромагнитной совместимости, уменьшает отношение сигнал/шум полезного радиосигнала, приём и распознавание которого в последующем может быть затруднён.Чем короче волна, тем прямее угол попадания ее в ионосферу.

Ионосферные волны за счет 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 D и Е) и хорошо отражаются ее верхними слоями (главным образом слоем F2). Поскольку чем выше отражающий слой ионосферы, тем больше дальность распространения ионосферных вода (при прочих равных условиях), декаметровые волны используются для обеспечения радиосвязи на сколь угодно большие расстояния при сравнительно небольших мощностях радиопередатчиков. Антенные устройства, применяемые для излучения декаметровых радиоволн, более эффективны, и имеют сравнительно небольшие геометрические размеры, позволяющие устанавливать их на подвижных объектах. Частотная емкость данного диапазона волн в 10 раз превышает емкость диапазона гектометровых волн. Однако широкое использование декаметрового диапазона радиостанциями различного назначения приводит к значительной загрузке этого диапазона, в результате чего наблюдается большой уровень взаимных помех, создаваемых работающими радиостанциями.

Частотная вместимость KB диапазона значительно больше, чем предшествующих диапазонов, что обеспечивает возможность одновременной работы большого числа радиостанций. Антенны KB радиостанций при относительно небольших габаритах достаточно эффективны.

Существенное снижение качества KB радиосвязи ионосферными волнами происходит из-за замирания сигналов. Природа замираний в основном сводится к интерференции нескольких приходящих к месту приема по разным траекториям лучей

Рисунок 5.13 - Многолучевость радиоволн

Существуют и другие причины появления нескольких лучей в точке приема.

Многолучевость в сочетании с флуктуациями параметров ионосферы приводит к тому, что характеристики результирующего поля сигнала в месте приема непрерывно меняются и прием коротких волн сопровождается быстрыми (0,1 - 1 сек.) и медленными изменениями уровня сигнала на входе приемника - замираниями.

Ухудшение KB радиосвязи и даже ее прекращение может наступить и при ионосферных возмущениях под воздействием потоков заряженных частиц, извергаемых Солнцем. Они могут разрушить основной отражающий слой F2 или создать области поглощения коротких волн. Такие же возмущения в ионосфере может вызвать высотный ядерный взрыв.

Несмотря на целый ряд причин, приводящих к неустойчивости радиосвязи, она находит широкое применение из-за возможности организации прямой связи на трассах различной протяженности при малых энергетических затратах.

Декаметровые волны весьма слабо поглощаются нижними слоями ионосферы D и Е и хорошо отражаются ее верхним слоем F₂ . Поскольку чем выше отражающий слой ионосферы, тем больше дальность распространения ионосферных вода (при прочих равных условиях), декаметровые волны используются для обеспечения радиосвязи на сколь угодно большие расстояния при сравнительно небольших мощностях радиопередатчиков. Антенные устройства, применяемые для излучения декаметровых радиоволн, более эффективны, и имеют сравнительно небольшие геометрические размеры, позволяющие устанавливать их на подвижных объектах. Частотная емкость данного диапазона волн в 10 раз превышает емкость диапазона гектометровых волн. Однако широкое использование декаметрового диапазона радиостанциями различного назначения приводит к значительной загрузке этого диапазона, в результате чего наблюдается большой уровень взаимных по мех, создаваемых работающими радиостанциями.

Другим недостатком рассматриваемого диапазона является большая зависимость условий распространения радиоволн от состояния ионосферы, т.е. от 11-летнего периода солнечной активности, от времени года (веска, лето, осень, зима), от времени суток (день, ночь). Указанные причины могут резко изменять условия распространения волн отдельных участков декаметрового диапазона. Так, например, в дневное время радиоволны с длиной волны > 25 м испытыва­ют сильное поглощение в слоях D и Е в ночное время даже радиоволны, длина которых > 100 м, мало поглощаются нижними слоями ионосферы и могут быть использованы для радиосвязи ионосферными волнами.

Как правило, в дневное время для радиосвязи применяются более короткие волны ( L = 10 - 25 м), чем в ночное время (L =35 - 100 м). Условия распространения радиоволн декаметрового диапазона изменяются не только при переходе от дня к ночи, но и в любое время суток вследствие изменения степени ионизации в области F₂ .

Указанные особенности распространения радиоволн декаметрового диапазона должны учитываться при выборе рабочих частот линий радиосвязи.-

Метровые волны (УКВ)по условиям распространения существенно отличаются от радиоволн рассмотренных выше диапазонов. Основное отличие состоит в том, что радиоволны метрового диапазона сильно поглощаются земной поверхностью и практически не отражаются от ионосферы (за исключением случаев ионосферного и тропосферного рассеяния). Однако, несмотря на сильное поглощение радиоволн метрового диапазона земной поверхностью, для целей радиосвязи почти исключительно применяются земные волны. Целесообразность использования земных волн объясняется тем, что увеличение потерь в земной поверхности компенсируется применением высокоэффективных малогабаритных антенных устройств.

Радиоволны длиной короче 10 м называют ультракороткими (УКВ).

Дальность связи земными волнами в диапазоне метровых волн сравнительно невелика и незначительно превышает дальность прямой видимости между передающей и приемной антеннами. Это объясняется слабой дифракцией (способностью огибать земную поверхность) радиоволн метрового диапазона. Для увеличения дальности связи необходимо применять более эффективные, высоко поднятые над поверхностью земли антенны. Увеличение мощности радиопередатчиков метрового диапазона практически не приводит к заметному увеличению дальности, поэтому в диапазоне метровых волн наиболее широко применяются маломощные радиопередатчики (за исключением радиопередатчиков, использующих ионосферное и тропосферное рассеяние волн метрового диапазона).

Диапазон метровых волн имеет следующие достоинства:

-условия распространения радиоволн не зависят от фазы солнечной активности, сезона и времени суток;

-большая частотная емкость диапазона позволяет обеспечить одновременную работу большого количества линий радиосвязи;

-ограниченная дальность радиосвязи в диапазоне метровых волн приводит к резкому уменьшению взаимных помех даже при работе радиолиний на одной и той же частоте.

Указанные достоинства диапазона метровых волн определяют широкое использование его в различных областях радиотехники.

Ультракороткие волны (УКВ) включают в себя ряд участков частотного диапазона, обладающих огромной частотной емкостью. Энергия УКВ сильно поглощается землей, поэтому земная волна довольно быстро затухает. Для УКВ не свойственно регулярное отражение от ионосферы, следовательно, можно рассчитывать на использование земной волны и волны, распространяющейся в свободном пространстве. Дальность связи поверхностными волнами УКВ диапазона не велика не только в силу большого поглощения их энергии, но и потому, что эти волны не обладают выраженными свойствами дифракции, т.е. свойствами огибать неровности рельефа местности.

Рисунок 5.14 - Характер влияния местности на распространение УКВ

Ультракороткие волны по своим свойствам наиболее близки к световым лучам. Они в основном распространяются прямолинейно и сильно поглощаются землей, растительным миром, различными сооружениями, предметами. Поэтому уверенный прием сигналов ультракоротковолновых станций поверхностной волной возможен главным образом тогда, когда между антеннами передатчика и приемника можно мысленно провести прямую линию, не встречающую по всей длине каких-либо препятствий в виде гор, возвышенностей, лесов.

В реальных условиях УКВ радиосигнал обладает большой способностью огибать препятствия. Земная поверхность существенно влияет на напряженность поля в месте приема. Если антенны приподняты над гладкой поверхностью земли, то последняя отражает радиоволны подобно, как зеркало отражает свет. В итоге к приемной антенне приходят 2-е волны - прямая и отраженная. Они будут разными по амплитуде и фазе, но если они придут в точку приема в одинаковой фазе, то напряженность поля увеличится.

Рисунок 5.15 – Способы распространение УКВ

Чем короче волна, тем прямее угол попадания ее в ионосферу. Более короткие волны, называемые ультракороткими (УКВ), распространяются частично вдоль земной поверхности, а основной своей массой уходят в космос. За редким исключением, ионизированный слой не является препятствием для УКВ сигналов, и они свободно через него проходя. В своем большинстве дальние связи на УКВ проходят за счет отражения от метеорных потоков или при использовании рассеяния энергии от неоднородностей тропосферы

Ионосфера же для ультракоротких волн подобно стеклу для света - "прозрачна". Ультракороткие волны почти беспрепятственно проходят через нее. Поэтому-то этот диапазон волн используют для связи с искусственными спутниками Земли, космическими кораблями и между ними.

Но наземная дальность действия даже мощной ультракоротковолновой станции не превышает, как правило, 100-200 км. Лишь путь наиболее длинных волн этого диапазона (8-9 м) несколько искривляется нижним слоем ионосферы, который как бы пригибает их к земле. Благодаря этому расстояние, на котором возможен прием ультракоротковолнового передатчика, может быть большим. Иногда, однако, передачи ультракоротковолновых станций слышны на расстояниях в сотни и тысячи километров от них.

Поглощение энергии УКВ в земле компенсируется повышением эффективности антенн, т.к. их размеры становятся того же порядка, что и длина волны. Поэтому при наличии геометрической видимости между пунктами связь может поддерживаться при относительно малой мощности радиостанций. УКВ диапазон обладает наибольшей частотной емкостью и может использоваться одновременно очень большим числом радиостанций, тем более что дальность взаимного влияния между ними невелика.

Пониженный уровень помех в УКВ диапазоне позволяет иметь высококачественные каналы передачи информации. Исключительное значение приобретают ультракороткие волны для связи в свободном пространстве между подвижными объектами.

Рассмотренные выше условия распространения радиоволн различных диапазонов не являются вполне строгими, особенно на их границах, где свойствам радиоволн данного диапазона присущи свойства и соседнего диапазона. Так, например, волны декаметрового диапазона на участке , L =10-15 м в годы минимума солнечной активности приобретают свойства метрового диапазона, волны того же декаметрового диапазона длиной L =80-100м в. значительной степени обладают свойствами радиоволн гектометрового диапазона, особенно в ночное время.

От диапазона радиоволн, используемых для обеспечения радиосвязи, зависят конструкция и геометрические размеры не только антенных устройств, но и радиопередатчиков и радиоприемников в целом, а также отдельных их элементов (электронных приборов, колебательных систем и др.).

Искусственная ионизация атмосферы под воздействием высотных ядерных взрывов может вызвать существенные изменения свойств распространения радиоволн. Характер этих изменений зависит не только от мощности и высоты взрыва, но и от диапазона радиоволн.

Свойства распространения СДВ существенно не изменяются, увеличение электронной плотности слоя практически не вызывает роста затухания волны и не приводит к нарушению связи в СДВ диапазоне. Вместе с тем нижняя граница этого слоя опускается, из-за чего сокращается путь, проходимый сигналом, и поэтому фазовый сдвиг волны в точке приема.

В диапазоне ДВ заметно увеличивается поглощение энергии волн, что может привести к кратковременным (от нескольких секунд до нескольких минут) нарушениям связи ионосферной волной.

На средневолновых радиолиниях большой протяженности могут наблюдаться длительные (до 2-3 суток) нарушения связи, обусловленные полным поглощением ионосферных волн. В то же время условия связи земными волнами в диапазоне СВ становятся более благоприятными вследствие значительного снижения уровней атмосферных и взаимных помех.

Возникающая после взрыва сильная ионизация в области D и Е вызывает интенсивное поглощение декаметровых волн, проходящих через эту область. Степень поглощения в большой мере зависит от рабочей частоты радиолинии. В нижнем участке КВ диапазона связь ионосферной волной может нарушиться на несколько часов, а на частотах выше 10-15 МГц она восстановится через несколько минут. В то же время уровни станционных и атмосферных помех особенно на низких частотах диапазона КВ значительно уменьшаются, что приводит к увеличению дальности связи земной волной.

В результате высотных ядерных взрывов создаются условия для осуществления связи ионосферной волной в диапазоне МВ на дальности до 2000-2500 км.

При связи земной волной уровень сигнала в точке приема после ядерного взрыва практически не изменяется, но существенно возрастает уровень помех от дальних радиостанций из-за отражения МВ от областей повышенной ионизации. Вследствие этого дальность связи земной волной в диапазоне МВ уменьшается даже на радиолиниях, проходящих на значительных расстояниях от района взрыва.

ВЫВОД:

В зависимости от диапазона радиоволны имеют свои особенности и законы распространения:

ДВ сильно поглощаются ионосферой, основное значение имеют приземные волны, которые распространяются, огибая землю. Их интенсивность по мере удаления от передатчика уменьшается сравнительно быстро.

СВ сильно поглощаются ионосферой днём, и район действия определяется приземной волной, вечером хорошо отражаются от ионосферы и район действия определяется отражённой волной.

КВ распространяются исключительно посредством отражения ионосферой, поэтому вокруг передатчика существует т. н. зона радиомолчания. Днём лучше распространяются более короткие волны (30 МГц), ночью — более длинные (3 МГц). Короткие волны могут распространяться на большие расстояния при малой мощности передатчика.

УКВ распространяются прямолинейно и, как правило, не отражаются ионосферой. Легко огибают препятствия и имеют высокую проникающую способность.

ВЧ не огибают препятствия, распространяются в пределах прямой видимости. Используются в WiFi, сотовой связи и т.д.

КВЧ не огибают препятствия, отражаются большинством препятствий, распространяются в пределах прямой видимости. Используются для спутниковой связи.

Гипервысокие частоты не огибают препятствия, отражаются подобно свету, распространяются в пределах прямой видимости. Использование ограничено.