В радиотехнике применяются электромагнитные волны, называемые радиоволнами, с частотой f от 3 кГц до 3·10¹¹ Гц (это соответствует длинам волн λ от 10⁵м до 10^-3м), инфракрасные и оптические электромагнитные волны с частотой от 3·10¹¹ Гц до 3·10¹⁵ Гц (λ = 1мм÷0,1мк).

По условиям распространения радиоволны делят на диапазоны.

Будем называть низкими (НРЧ) радиочастоты, которые соответствуют сверхдлинным, длинным, средним и коротким волнам, а сверхвысокими (СВЧ) – частоты, соответствующие дециметровым, сантиметровым и миллиметровым волнам. Часто к СВЧ относят весь диапазон УКВ, т. е. и метровые волны. Радиоволны распространяются в атмосфере, окружающей земную поверхность, и в космосе. Только в космическом пространстве радиоволны распространяются, как в свободном пространстве. Во всех остальных областях пространства на дальность радиосвязи в той или иной мере влияют электрические свойства почвы и атмосферы, а так-же рельеф местности.

Земля является полупроводящей средой. Следовательно, её электрические свойства в значительной мере зависят от частоты. В диапазоне сверхдлинных волн Земля наиболее близка к идеальному проводнику. По этой причине сверхдлинные волны почти полностью отражаются от Земли и мало теряют в ней энергии. С уменьшением длины волны проводимость почвы уменьшается, соответственно увеличивается глубина проникновения электромагнитных волн в почву и возрастают потери энергии в Земле.

Сферичность и неровность поверхности Земли также оказывает большое влияние на распространение радиоволн. Любые два пункта Земли разделены шаровым сегментом, который исключает возможность связи прямолинейными лучами, если антенны радиостанций не имеют достаточной высоты. Например, при длине линии радиосвязи r = 10км высота сегмента достигает h = 3,1м, а при r = 100км высота h = 310м.

Здесь на помощь приходит дифракция, благодаря которой электромагнитные волны огибают шаровой сегмент и возвышенности Земли. Однако нужно иметь в виду, что дифракция ослабляется с уменьшением длины волны и даже на сверхдлинных волнах дальность связи, обусловленная дифракцией, не превышает 4000 м.

Земная атмосфера по-разному влияет на распространение радиоволн на малых и больших высотах. Атмосфера Земли является газообразным слоем. Научные исследования, проведенные с помощью искусственных спутников Земли и космических ракет, показали, что атмосфера простирается на высоту свыше 3000 км.

Атмосфера разделяется на тропосферу (высота слоя до 15 км) и стратосферу. Тропосфера и частично стратосфера (до 100 км) представляют собой однородную смесь азота, кислорода, водяных паров и других составляющих. В тропосфере при нормальных условиях с увеличением высоты температура, влажность и давление воздуха непрерывно уменьшаются, начиная соответственно от 15°С, 60% влажности и 1013 мбар. В «нормальной атмосфере» эти изменения на каждые 100м роста высоты уменьшают показатель преломления на 4·10^-6. В результате происходит искривление лучей, называемое тропосферной рефракцией. Обычно тропосферная, рефракция способствует увеличению дальности радиосвязи; последнее ощутимо только на ультракоротких волнах, где дифракция выражена очень слабо.

В то время как тропосфера является хорошим диэлектриком, близким к идеальному, атмосфера на высотах 60-20000км имеет некоторую проводимость. В этой области под влиянием ультрафиолетовых лучей и корпускул (частиц) Солнца происходит расщепление нейтральных молекул на ионы и электроны, в результате чего образуется так называемая ионосфера. Возникшие ионы и электроны, находясь в движении, сталкиваются, в результате наряду с ионизацией происходит частичное восстановление (рекомбинация) нейтральных молекул.

Степень ионизации атмосферы по высоте распределяется неравномерно. С одной стороны, по мере удаления от Земли должно наблюдаться усиление ионизации в связи с увеличением ионизирующего излучения Солнца, а с другой стороны, с ростом высоты происходит разрежение воздуха и уменьшение числа молекул, участвующих в ионизации. Отсюда следует вывод о существовании определенного уровня атмосферы с максимумом ионизации. Этот максимум находится на высоте 250-400 км. Ниже его расположена внутренняя ионосфера, а выше — внешняя.

Атмосфера внутренней ионосферы неоднородная, так как на высотах свыше 90км солнечное излучение вызывает диссоциацию атмосферного азота и кислорода. Молекулы этих газов, каждая из которых содержит два атома, распадаются на атомы, и над слоем однородного по составу воздуха возникают слои с различным соотношением атомарного кислорода, атомарного азота, молекулярного кислорода и молекулярного азота. Эти элементы в различной степени ионизируются ультрафиолетовыми лучами Солнца, в связи с чем ниже главного максимума ионизации существуют другие, менее выраженные максимумы, которые называют слоями.

Рис. 1. Ионизированные слои атмосферы.

В ионосфере различают четыре слоя: D, E, F₁ и F₂. Слой D расположен на высоте 60-80км, слой Е – на высоте 100-130км, слой F₁ – на высоте 180-230км, а высота слоя F₂ находится в пределах 200-450км. Из перечисленных слоёв наименее ионизированным является D, затем следуют слои E, F₁ и на уровне слоя F₂ находится основной максимум ионизации.

После захода Солнца следовало бы ожидать полного рассеяния ионосферы, но этого не наблюдается, так как ионы и свободные электроны соединяются в нейтральные молекулы таким образом, что электронная плотность ионосферы убывает по гиперболическому закону. Слои Е и F₂ ночью сохраняются, хотя интенсивность ионизации их значительно меньше, чем днем, и только слои D и F₁ в это время суток полностью исчезают. Слой F₁ отсутствует и днем в зимнее время. Кроме того, в это время высота слоя F₂ увеличивается от 220-240км днем до 300-330км ночью.

Электромагнитные волны, попадая в ионосферу, возбуждают в ней колебания электронов, полученных в результате ионизации. Колеблющиеся электроны образуют ток, который имеет обратную фазу относительно тока смещения в свободном пространстве. Это равнозначно уменьшению диэлектрической проницаемости атмосферы.

Проводимость ионосферы возрастает с увеличением плотности ионизации N и уменьшением частоты электромагнитных волн f. Последнее объясняется тем, что, чем больше период времени, в течение которого совершается полное колебание электронов, вызванное электромагнитными волнами, тем больше амплитуда этих колебаний. Таким образом, диэлектрическая проницаемость ионизированных слоев воздуха уменьшается по мере повышения плотности ионизации и понижения частоты проходящих через ионосферу волн.

Как же влияет ионизация атмосферы на распространение радиоволн? Уменьшение диэлектрической проницаемости атмосферы означает увеличение фазовой скорости радиоволн при переходе их из нижних слоев атмосферы в ионосферу, а это влечет за собой преломление и отражение волн. Кроме того, наличие ионосферы проявляется в поглощении энергии радиоволн. При столкновениях, электроны передают ионам и нейтральным молекулам энергию, полученную от электромагнитных волн, и эта энергия расходуется на тепловое движение тяжелых частиц ионосферы.

При частоте электромагнитной волны, равной числу столкновений электронов с тяжелыми частицами в секунду, поглощение энергии электромагнитных волн, как обычно при резонансе, максимально. Эта частота примерно соответствует длине волн λ=200м. Значит, затухание волн в ионосфере уменьшается при уменьшении частоты в сторону более длинных волн и при увеличении частоты в направлении более коротких волн от λ=200 м.

Ионосферное распространение радиоволн

Рассмотрим подробнее процесс преломления радиоволн в ионосфере. Сначала допустим, что относительная диэлектрическая проницаемость понижается с высотой за счет усиления ионизации скачками от е₀ = 1 к е₁, е₂, ..., е_n. Соответственно увеличивается фазовая скорость электромагнитных волн и уменьшается показатель преломления n, который, начиная от n₀ = 1, принимает значения, все меньшие и меньшие единицы.

Рис. 2. Преломление радиоволн в ионосфере.

Уменьшение показателя преломления с высотой вызывает увеличение угла преломления по сравнению с углом падения волны на данный ионизированный слой. Это может привести к тому, что в каком-то слое с показателем преломления n_n произойдет полное внутреннее отражение, т. е. угол преломления 90°. В этом положении луч неустойчив и, если плотность ионизации вышестоящего слоя даже незначительно больше, чем данного, произойдет аналогичное преломление волны в обратном направлении.

Остается внести поправку: так как диэлектрическая проницаемость ионосферы изменяется по высоте плавно, форма лучей получается криволинейной (см. рис. 1).

Волны, отражаемые от ионосферы к Земле, полезны для радиосвязи, а поэтому необходимо уточнить условия их возникновения. Возможность отражения радиоволн от ионосферы определяется тремя обстоятельствами:

1) углом падения радиоволн на нижний слой ионосферы, т. е. наклоном волны в момент ее излучения;

2) плотностью ионизации данного ионизированного слоя;

3) частотой электромагнитных волн.

Очевидно, что, чем меньше начальный угол возвышения луча δ, тем больше угол падения θ₀ на первый ионизированный слой (θ₀ = 90° - δ на рис. 2) и тем скорее будет достигнут угол θ_n = 90°, т. е. произойдет полное внутреннее отражение волны. Так, волна 1 с углом возвышения δ₁ (рис. 3) проходит через ионизированный слой, не отразившись от него к Земле, волна 2 с меньшим углом возвышения δ₂ возвращается к Земле, а волна 3 с углом δ₃ < δ₂ отражается от ионосферы даже на меньшей высоте. Наименее вероятно отражение радиоволн от ионосферы, когда волны излучаются отвесно (δ = 90°).

Рис. 3. Влияние наклона излучаемой волны на ее траекторию в атмосфере.

Если слой D не отразил волну, то это способен сделать слой E как более ионизированный. Если же и слой E не отразил радиоволн, то не исключена возможность, что это сделает слой F₁ а тем более F₂. Но в том случае, когда наиболее ионизированный слой F₂ при любом угле возвышения луча к поверхности Земли не создает требуемого отражения, возвращение волны на Землю полностью исключено.

Связь между частотой волны и необходимой для его отражения плотностью ионизации N_макс позволила ввести еще одно понятие «критическая частота f_кр или критическая длина волны λ_кр = c/f_кр данного ионизированного слоя». Это максимальная частота (минимальная длина волны), при которой возможно отражение волн к Земле, если они излучаются вертикально. Критическая длина волны слоя F₂ равна λ_кр = 23 - 45 м. Стало быть, радиоволны, имеющие длину волны λ > 23-45 м, при любом начальном угле возвышения отражаются ионосферой к Земле. Если же λ < 23-45 м, то возвращение волн на Землю возможно лишь тогда, когда радиоволны при излучении в достаточной мере отклоняются от перпендикуляра к поверхности Земли (δ < δ_кр).