5.5. Системы ионосферной связи.

По современным представлениям ионосфера занимает об­ласть высот атмосферы от 60 до 1600 км. В процессе распростра­нения радиоволн принимают участие слои, расположенные на вы­сотах от 55 и примерно до 500 км.

Ионизация атмосферы вызывается главным образом ультра­фиолетовыми лучами солнечного спектра, а также потоками вы­брасываемых Солнцем частиц, бомбардирующих земную атмос­феру.

Ионизированные слои воздуха обладают способностью отра­жать радиоволны, благодаря чему и осуществляется дальняя связь на коротких волнах. Ультракороткие же волны проникают сквозь ионосферу, не отражаясь от нее, за исключением периодов очень высокой солнечной активности. Поэтому регулярная УКВ связь за счет отражения от ионизированных слоев атмосферы не­возможна.

В 1951 г. была открыта возможность регулярной дальней УКВ связи за счет рассеяния радиоволн локальными неоднородностями ионосферы (рис. 5.14). Локальные неоднородности электронной концентрации ионосферы возникают на высоте 55-120 км вслед­ствие временных и пространственных флуктуации ионизирующего потока и турбулентного перемешивания воздушных масс[10].

Индекс преломления радиоволн в пределах локальных неоднородностей ионосферы отличается от его значений для окружаю­щей среды, этим и объясняется рассеяние некоторой небольшой доли энергии радиоволн, идущих сквозь слой ионосферы. Таким образом, по своему существу дальнее ионосферное и дальнее тропосферное распространение УКВ имеют много общего. Вместе с тем между рассеянием УКВ в тропосфере и ионосфере имеется следующая принципиальная разница: тропосферное рассеяние обусловлено неоднородностями молекулярных характеристик (температуры, влажности, давления), а ионосферное — неодно­родностями ионизационных характеристик (содержания свобод­ных электронов в газе).

рис.5.14

Известно, что относительное значение диэлектрической прони­цаемости ионизированного газа выражается формулой [10]

, (5.5)

где N — электронная концентрация, т. е. число электронов в 1м³;

f — частота радиосигнала.

Коэффициент преломления среды связан с _отн соотношением

. (5.6)

Из (5.5) и (5.6) находим

. (5.7) Здесь - так называемая плазменная частота, а - флуктуации электронной концентрации. Разделив обе части (5.7) на n, получим

. (5.8)

Отсюда следует, что флуктуации электронной концентрации в изменениях индекса преломления, а значит, и напряженность электромагнитного поля рассеяния по мере повышения частоты сигнала резко снижаются. Физически это объясняется тем, что рассеяние происходит вследствие перемещений электронов под воздействием переменного поля, но электроны обладают инерцией, и их отклонения уменьшаются с увеличением частоты пе­ременного поля.

Как и при тропосферной связи, поля ионосферного рассеяния УКВ можно характеризовать средним множителем ослабления _ср определяемым по формуле (5.3). Зависимость _ср от частоты показана на рис. 5.15. На более низких частотах уровень принимаемого сигнала снижается ввиду увеличения поглощения в слое Д. Поэтому для ионосферной связи используется диапазон частот 25-75 МГц, т. е. частотная емкость ионосферных систем связи значительно меньше тропосферных.

Зависимость _ср от расстояния, приведенная на рис. 5.16, показывает, что интенсивность поля рассеяния при изменении дальности связи от 1000 до 2200 км изменяется незначительно. Многочисленные опыты показали, что связь за счет ионосферного рассеяния радиоволн возможна на расстояниях 700-2200 км [10].

По мере роста крутизны падения радиоволн на ионизированный слой, т.е. увеличения угла _р (рис. 5.14), интенсивность рас­сеянного сигнала уменьшается. При некотором критическом зна­чении _р радиоволны проходят сквозь слой ионосферы с резким уменьшением рассеяния. Этим и объясняется невозможность ионосферной связи на расстояния, меньшие 700 км. Иными сло­вами, возникает так называемая зона молчания. Минимальное значение угла _р ограничивается выпуклостью земного шара. При минимальных значениях _р объем рассеяния находится на высоте 100-120 км, определяющей согласно (5.2) максимально возможную дальность связи (около 2500 км).

рис.5.15 рис.5.16

Интенсивность сигнала рассеяния изменяется в зависимости от времени года и суток. В летние месяцы и в дневные часы уро­вень сигнала возрастает. На уровень сигнала влияет и географи­ческая широта, причем в полярных широтах ионосферная связь более устойчива.

При ионосферном распространении УКВ наблюдаются медлен­ные и быстрые замирания сигнала. Быстрые замирания подчиня­ются закону Релея, а их частота колеблется в пределах от 0,2 до 5 Гц. Сигнал в точке приема образуется в результате интер­ференции многих лучей с различным временем запаздывания. Время запаздывания изменяется в широких пределах из-за боль­шой толщины ионосферы и может достигать 20 мс. Лучи, отра­женные от спародического слоя Е_s запаздывают на 30-40 мс. Столь большая разница во времени запаздывания различных лу­чей приводят к резкому сужению эффективной полосы пропуска­ния ионосферной линии связи. Для средних широт при использо­вании антенн с коэффициентом усиления 20 дБ полоса пропус­кания составляет около 4 кГц, что позволяет организовать один телефонный и несколько телеграфных каналов. Благодаря при­менению остронаправленных антенн и разнесенного приема уда­ется расширить полосу пропускания до 30 кГц.

Тот факт, что полоса пропускания ионосферной линии в сотни раз уже тропосферной, казалось бы должен был свести на нет полезность ионосферных систем связи. Однако это не так. Ионо­сферная связь имеет колоссальное преимущество перед другими видами радиосвязи. Оно состоит в том, что в периоды аномаль­ных состояний атмосферы устойчивость ионосферной связи повы­шается, и в данном случае она может стать единственным видом радиосвязи. Особенно целесообразна ионосферная УКВ связь в полярных широтах, где северное сияние является экраном для ко­ротких волн.

Методика инженерного расчета ионосферных и тропосферных линий связи аналогична [9,10].

Аппаратура систем ионосферной связи строится с учетом осо­бенностей дальнего ионосферного распространения УКВ в диапа­зоне частот 25-75 МГц. Для компенсации поглощения вдоль весьма протяженной трассы и получения необходимого уровня сигнала в точке приема мощность передатчика выше, чем в слу­чае тропосферной связи, и составляет 20-50 кВт и более. Вы­ходные каскады собираются на металлокерамических триодах с принудительным охлаждением. Для увеличения мощности пере­дающих устройств широко практикуется способ сложения мощ­ностей отдельных передатчиков в околоантенном пространстве.

Ввиду ограниченности полосы пропускания ионосферной ли­нии связи в передатчиках применяется однополосная модуляция в телефонном режиме и частотная манипуляция в телеграфном ре­жиме. Значит, возбудители передатчиков должны обеспечивать высокую стабильность частоты.

При организации многоканальной связи применяется времен­ное уплотнение, так как в этом случае мощность передатчика полностью используется для каждого канала.

Эффективное использование мощности передатчика и ослаб­ление влияния сигналов, отраженных от метеорных следов и слоя Е_s, достигается применением остронаправленных антенн с коэффициентом усиления 25-30 дБ и более. Таким усилением в диапазоне частот, пригодном для ионосферной связи, обладают ромбические двухэтажные антенны с длиной стороны (10-20)  и многоярусные антенны типа волновой канал.

Приемные устройства ионосферной связи строятся по суперге­теродинной схеме с двойным или тройным преобразованием частоты. Этим достигается их высокая чувствительность и избира­тельность. Для борьбы с быстрыми замираниями сигнала широко применяется сдвоенный прием на разнесенные антенны. Интервал разнесения антенн должен быть не менее 10 при поперечном и 40 — при продольном разнесении.

В настоящее время системы ионосферной связи применяются как России, так и в зарубежных странах. Первые линии ионо­сферной связи были построены в арктических широтах. Одна из таких систем — «Биттер Свит» связывает США и Англию через Канаду, Гренландию и Исландию. Три ретрансляционных пункта обеспечивают связь на расстоянии 4,5 тыс. км. Мощность пере­датчиков достигает 50 кВт, рабочий диапазон частот - около 35 MГц, сигнал - однополосный, число телефонных каналов равно восьми, прием - сдвоенный, антенны - многоярусные дипольного типа с площадью излучения 1800 м², надежность линии свя­зи в течение года составляет 99%.

Известна линия ионосферной связи в тропическом поясе. Она находится между Гавайскими и Филиппинскими островами, об­щая длина этой линии 10 400 км, число ретрансляций равно пя­ти, протяженность отдельных участков линии составляет 1300— 1900 км.

Из-за большой мощности передатчиков и сложности антенных систем, как правило, создаются стационарные линии дальней ионосферной УКВ радиосвязи.