Особенности распространения и области применения декаметровых (коротких) волн.

К коротким волнам относятся радиоволны длиной от 100 до 10 м (частоты 3—30 МГц). Преимуществом работы на коротких волнах по сравнению с работой на более длинных волнах является то, что в этом диапазоне можно создать направленные антенны. Короткие волны могут распространяться как земные и как ионосферные.

С повышением частоты сильно возрастает поглощение волн в полупроводящей поверхности Земли. Поэтому при обычных мощностях передатчика земные волны коротковолнового диапазона распространяются на расстояния, не превышающие нескольких десятков километров.

Ионосферной волной короткие волны могут распространяться на многие тысячи километров, причем для этого не требуется передатчиков большой мощности. Поэтому в настоящее время короткие волны используются главным образом для связи и вещания на большие расстояния.

Короткие волны распространяются на дальние расстояния путем отражения от ионосферы и поверхности Земли. Такой способ распространения называют и характеризуют расстоянием скачка, числом скачков n, углами выхода и прихода и максимальной применимой частотой (МПЧ) и наименьшей применимой частотой (НПЧ).

Расстояние скачка зависит от высоты отражающего слоя, рабочей частоты и диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости; оно меняется в зависимости от времени года, сезона и уровня солнечной активности. В среднем максимальное расстояние скачка принимают равным: при отражении от слоя F2 - 4000 км, при отражении от слоя F1 - 3000 км, при отражении от слоя Е - 2000 км. Максимальное расстояние скачка имеет место при направлении излучения волны по касательной к горизонту, однако у реальных антенн максимум излучения направлен под некоторым углом к горизонту, что приводит к уменьшению максимального расстояния скачка.

Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток. Днем работают на волнах 10 - 25 м, а ночью—на волнах 35-100 м. Понятно, что необходимость менять длину волны и каждый раз правильно выбирать ее усложняет как конструкцию станции, так и работу оператора.

Ионосфера имеет несколько максимумов ионизации, вблизи которых могут отражаться радиоволны. В зависимости от рабочей частоты, угла излучения и состояния ионосферы отражение может происходить в той или иной области ионосферы: при этом возможны различные траектории распространения волн.

На линии протяженностью 1500 км наиболее часто одновременно приходят волны, дважды отраженные от слоев F а Е ; на линии протяженностью 3000 км распространение происходит чаще путем одного отражения от слоя F. В годы минимума солнечной деятельности часто наблюдается отражение только от слоя F.

ЗАМИРАНИЯ КОРОТКИХ ВОЛН

Прием коротких радиоволн всегда сопровождается измерением во времени уровня принимаемого сигнала, причем это изменение носит случайный характер. Такое явление называют замираниями сигнала.

Очевидно, что при наличии замираний можно говорить только о вероятности появления того или иного уровня сигнала. Различают быстрые и медленные замирания сигнала.

Основной причиной быстрых замираний сигнала является многолучевое распространение радиоволн. Чаще всего причиной замираний служит приход в точку приема двух лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы, как показано на рис.

Поскольку два луча проходят различные пути, фазы их неодинаковы. Изменения электронной плотности, непрерывно происходящие в ионосфере, приводят к изменению длины пути каждого из лучей, а следовательно, и к изменению разности фаз между лучами. Для изменения фазы волны на 180° достаточно, чтобы длина пути изменилась на λ/2, т. е. на 5—50 м. Такие незначительные изменения длины пути могут происходить непрерывно, поэтому, колебания напряженности электрического поля в диапазоне коротких волн являются частыми и глубокими.

Помимо этого, замирания сигнала вызываются рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн.

Кроме интерференционных замираний сигнала, на коротких волнах имеют место поляризационные замирания. Причиной поляризационных замираний является поворот плоскости поляризации волны при распространении ее в направлении силовых линий магнитного поля Земли. Если, например, передающая и приемная антенны представляют собой горизонтальные вибраторы, то излученная горизонтально-поляризованная волна после прохождения в ионосфере претерпит поворот плоскости поляризации. Угол поворота меняется с изменением электронной плотности ионосферы. Поэтому направление вектора напряженности электрического поля относительно приемной антенны непрерывно меняется, что приводит к колебаниям э. д. с., наводимой в антенне.

На практике все указанные причины замираний сигнала действуют одновременно. Замирания характеризуются их скоростью. Скорость замираний показывает, какое число раз п в единицу времени огибающая амплитуды сигнала пересекает в положительном направлении заданный уровень сигнала. Наблюдения показали, что при быстрых замираниях для уровней напряженности поля, превышаемых в 90% времени, средняя величина n = 12 в минуту.

Важной характеристикой замираний является закон распределения огибающей амплитуды сигнала. Быстрые замирания хорошо описываются законом распределения Релея (при интервалах наблюдения 3—7 мин). Помимо быстрых замираний, наблюдаются медленные замирания, для выявления которых необходимо вести наблюдения в течение 40—60 мин. Причиной этих замираний является изменение поглощения радиоволн в ионосфере. Распределение огибающей амплитуды сигнала при медленных замираниях подчиняется нормально логарифмическому закону со стандартным отклонением порядка 8 дБ.

Для борьбы с замираниями применяют различные методы, например, прием на антенны с узкой диаграммой направленности, ориентированной так, чтобы принимался только один луч. Однако направление прихода луча меняется в течение суток, поэтому необходимо предусматривать возможность изменения направления максимума диаграммы направленности антенны. Такая приемная антенна является сложной и громоздкой. Эффективным является также прием на разнесенные антенны. Дело в том, что увеличение и уменьшение напряженности электрического поля происходят не одновременно даже на сравнительно небольшой площади земной поверхности. В то время как в месте расположения одной антенны уровень напряженности поля мал, вблизи второй антенны на расстоянии в несколько длин волн (сто или несколько сотен метров) от первой напряженность электрического поля оказывается достаточной для приема.

При разнесении точек наблюдения вдоль трассы масштаб корреляции возрастает. В практике коротковолновой связи используют обычно две антенны, разнесенные на расстояние l=10λ . Сигналы складывают после детектирования. Эффективным является разнесение антенн по поляризации, т. е. одновременный прием на вертикальную и горизонтальную антенны с последующим сложением сигналов.

Указанные меры борьбы действенны только для исключения быстрых замираний, медленные изменения сигнала не устраняются.

Поверхностная волна в декаметровом диапазоне распространяется на небольшое расстояние. (При мощности передатчика несколько десятков кВт, сигнал может быть принят на несколько десятков км). Основное распространение сигнала в декаметровом диапазоне происходит за счет пространственной волны, при которой за счет отражения в ионосфере происходит распространение на 3500..4000 км при отражении от слоя F, при отражении от слоя Е максимальное расстояние скачка равно 2000 км. Проводимость ионосферы на коротких волнах сравнительно мала и поглощение радиоволн в ионосфере при правильном выборе рабочей частоты оказывается небольшим.

Применяются для радиовещания на большие расстояния, построения магистральных телефонных и телеграфных линий большой протяженности, для связи с морскими судами и самолетами.

На декаметровых волнах необходимо учитывать наличие зон молчания, при которых поверхностная ЭМВ в данную точку уже не приходит, а пространственная еще не пришла. Минимальный угол падения φ , при котором еще возможно отражение радиоволны от ионосферы, называется критическим. Если расстояние между передающим и приемным пунктом мало, угол падения радиоволны на ионосферу может оказаться меньше φ_0кр и волна уйдет в мировое пространство. На поверхности Земли образуется зона молчания. Зона молчания имеет вид кольца. Внутренняя граница определяется максимальным расстоянием, на котором возможен прием поверхностной волны, а внешняя – расстоянием, при котором угол φ₀=φ_0кр. С ростом частоты при прочих равных условиях зона молчания увеличивается, т.к. поверхностная волна при большей частоте распространяется на меньшее расстояние, а угол φ_0кр растет, что приводит к увеличению радиуса внешней границы зоны. Если частота близка к критической, зона молчания исчезает, т.к. если f=fкр, радиоволна отражается от ионосферы при φ_р=0.

Н а декаметровых волнах поле в точке приема практически всегда образуется за счет сложения множества лучей, в том числе и за счет лучей, совершивших различное число скачков на данной трассе. Многолучевость приводит к интерференционным замираниям, средний период которых на декаметровых волнах составляет до 1 с. . Селективные замирания при этом приводят к искажениям принимаемого сигнала, особенно заметны искажения за счет селективных замираний при ослаблении уровня несущей частоты амплитудно-модулированного колебания, т.к при этом искажается форма огибающего сигнала. Эти искажения уменьшаются при использовании однополосной модуляции с подавлением несущей. При этом колебания несущей частоты восстанавливаются с достаточно большой амплитудой и детектирование сигнала происходит без искажений.

При передаче коротких импульсов может появиться радиоэхо, возникающее за счет разности пути сигнала. Интерференции и замирания при этом могут и не быть искажаться сигнала, особенно телеграфного. Для устранения этого явления необходимо работать при углах падения близких к критическому. В этом случае по трассе распространяется только один зеркально отраженный луч. На декаметровых волнах может возникнуть и кругосветное эхо, при котором запаздывание составляет 0,137 с.