Погода в Санкт-Петербурге | Pogoda78.ru
Влияние ионосферы на распространение радиоволн
Влияние ионосферы на распространение радиоволн
Всякая система передачи сигналов состоит из трех основных частей:
передающего устройства,
приемного устройства
и промежуточного звена — соединяющей линии.
Для радиосистем промежуточным звеном является среда — пространство, в котором распространяются радиоволны. При распространении радиоволн по естественным трассам, т. е. в условиях, когда средой служит земная поверхность, атмосфера, космическое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практически не поддается управлению.
При распространении радиоволн в среде происходят изменение амплитуды поля волны (обычно уменьшение), изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов.
Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли (в масштабе длины волны) называют земными радиоволнами <1 на рис. 1). Рассматривая распространение земных волн, атмосферу считают средой без потерь с относительной диэлектрической проницаемостью е. равной единице.
Пути распространения радиоволн
Рис. 1. Пути распространения радиоволн
Влияние атмосферы учитывают отдельно, внося необходимые поправки.В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места.
Ионосферой называется область атмосферы на высоте 60—10 000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов (примерно 103—106 электронов в 1 см3 воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. При однократном отражении радиоволны могут перекрывать расстояние по поверхности Земли до 4000 км. В результате многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут распространяться на любые расстояния по земной поверхности. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами 3.
На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.
Наличие в верхних слоях атмосферы свободных электронов определяет электрические параметры ионизированного газа — его диэлектрическую проницаемость ε и проводимость γ
Число электронов, содержащихся в единице объема воздуха, называется электронной плотностью Na (см-3)
Электронная и ионная плотности ионосферы непостоянны по высоте, что приводит к преломлению и отражению радиоволн в ионосфере.
Распределение плотности электронов по высоте атмосферы.
Рис. 2 Распределение плотности электронов по высоте атмосферы.
Объемные неоднородности ионизированного газа вызывают рассеяние радиоволн Указанные явления определяют условия распространения радиоволн в ионосфере и в одних случаях могут быть использованы, а в других должны быть учтены при работе радиолиний.
Ионосфера в целом является квазинейтральной, т.е. количества имеющихся в ней положительных и отрицательных зарядов равны.
Температура газа, начиная с высоты h = 80 км, плавно возрастает, достигая 2000—3000 К при h=500—600 км Возрастание температуры с высотой в области ионосферы объясняется тем, что воздух здесь нагревается непосредственно излучением Солнца.
Основным источником ионизации земной атмосферы являются электромагнитные волны солнечного излучения длиной короче 0,1 мкм — нижний участок ультрафиолетового диапазона и мягкие рентгеновские лучи, а также испускаемые Солнцем потоки заряженных частиц Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи производят ионизацию только на освещенной части земного шара и более интенсивно в приэкваториальных областях Заряженные частицы движутся по спиральным линиям в направлении магнитных силовых линии к магнитным полюсам земного шара и производят ионизацию главным образом в полярных областях Считают, что ионизирующее действие потока частиц составляет не более 50% ионизирующего действия ультрафиолетового излучения Солнца.
Ионизацию создают также метеоры, вторгающиеся в земную атмосферу со скоростями 11—73 км/с Кроме повышения среднего уровня ионизации метеоры создают местную ионизацию за метеором образуется столб ионизированного газа, который быстро расширяемся и рассеивается, существуя в атмосфере от одной до нескольких секунд Такие ионизированные следы метеоров образуются на высоте 80—120 км над земной поверхностью Характеристика метеорных частиц, попадающих в земную атмосферу, и плотность ионизированного следа, оставляемого ими, приведены в табл 1.
Масса частиц
т, г Радиус частиц,
см Число частиц падающих ежедневно на Землю Электронная плотность, Nэ см-3
1 0,4 105 2 1015
10-3 0.04 108 2 1014
10-5 0,008 1010 5 1013
После прекращения действия источника ионизации электронная плотность спадает по гиперболическому закону Поэтому с за ходом Солнца ионизация в нижних слоях ионосферы исчезает не мгновенно, а в верхних слоях — сохраняется в течение всей ночи.
Заметная электронная плотность появляется в атмосфере начиная с высоты примерно 60 км. Далее электронная плотность ионосферы меняется с высотой над земной поверхностью, а следовательно, и электрические свойства ионосферы неоднородны по высоте.
При распространении радиоволны в неоднородной среде ее траектория искривляется. При достаточно большой электронной плотности искривление траектории волны может оказаться настолько сильным, что волна возвратится на поверхность Земли на некотором расстоянии от места излучения, т. е. произойдет отражение радиоволны в ионосфере.
Отражение радиоволн, посланных с поверхности Земли на ионосферу, происходит не на границе воздух — ионизированный газ, а в толще ионизированного газа. Отражение может произойти только в той области ионосферы, где диэлектрическая проницаемость убывает с высотой а, следовательно, электронная плотность возрастает с высотой, т. е. ниже максимума электронной плотности ионосферного слоя.
Схема отражения радиоволн от ионосферы
Рис. 3. Схема отражения радиоволн от ионосферы.
Условие отражения связывает угол падения волны на нижнюю границу ионосферы φ с диэлектрической проницаемостью в толще самой ионосферы на той высоте, где происходит отражение волн (рис. 3):
sinφ0 = εn1/2 = (1 — 80,8Ne/f2)1/2
Здесь и далее Nэ — плотность электронов, см3, а частота f в кГц.
Чем больше значение Nэ, тем при меньших углах φо возможно отражение. Угол φо, при котором в данных условиях еще возможно отражение, называют критическим углом.
Отсюда можно определить рабочую частоту fφ при которой волны отразятся от ионосферы в случае заданных электронной плотности и угле падения:
fφ= (80,8Ne/cosφ0)1/2
Если волна нормально падает на ионосферу, то
fφ= (80,8 Ne)1/2 = f0
При нормальном падении волны отражение происходит на тон высоте, где рабочая частота равна собственной частоте ионизированного газа и, следовательно, ε=0. При наклонном падении на этой высоте могут отразиться радиоволны с более высокой частотой. Выполняется так называемый закон секанса, заключающийся в том, что при наклонном падении отражается волна частотой, в secφо раз превышающей частоту волны, отражающейся при вертикальном падении волны на слой заданной электронной плотности:
fφ = f0 secφ0
Чем больше электронная плотность, тем для более высоких частот выполняется условие отражения.
Максимальная частота, при которой волна отражается в случае вертикального падения на ионосферный слой, называется критической частотой fкр, отражение происходит вблизи максимума ионизации слоя:
fкр = (80,8 Neмакс)1/2
Сферичность Земли ограничивает максимальный угол φо :
sinφмакс = R0/(R0 + h0)
а следовательно, и максимальные частоты радиоволн, которые могут отразиться от ионосферы при данной электронной плотности.
К диапазону сверхдлинных волн (СДВ) относят волны длиной от 10 000 до 100 000 м (f = 30—3 кГц), а к длинным волнам (ДВ)—волны от 1000 до 10000 м (f = 300-30 кГц).
Токи проводимости для диапазонов СДВ и ДВ существенно преобладают над токами смещения для всех видов земной поверхности. Поэтому при распространении поверхностной волны происходит лишь незначительное проникновение ее энергии в глубь Земли. Сферичность Земли, служащая препятствием для прямолинейного распространения радиоволн, до расстояний 1000—2000 км остается соизмеримой с длиной волны, что способствует хорошему огибанию длинными волнами земного шара благодаря дифракции. Незначительные потери и oгибание земной поверхности обусловили возможность ДВ и СДВ распространяться земной волной на расстояние до 3000 км.
Начиная с расстояния 300—400 км помимо земной волны присутствует волна, отраженная от ионосферы. С увеличением расстояния напряженность электрического поля отраженной от ионосферы волны увеличивается, и на расстояниях 700—1000км поля земной и ионосферной волн становятся примерно равными. Суперпозиция этих двух волн дает интерференционную картину поля.
На расстоянии свыше 3000 км ДВ и СДВ распространяются только ионосферной волной. Для отражения длинных волн достаточно небольшой электронной плотности, так что днем отражение этих волн может происходить на нижней границе слоя D, а ночью—на нижней границе слоя Е. Проводимость в этой области ионосферы для ДВ довольно значительна (но в тысячи раз меньше, чем проводимость сухой земной поверхности) и токи проводимости оказываются того же порядка, что и токи смещения Следовательно, нижняя область ионосферы для ДВ обладает свойствами полупроводника.
На ДВ и особенно на СДВ электронная плотность слоев D и Е меняется резко на протяжении длины волны. Поэтому и отражение здесь происходит как на границе раздела воздух — полупроводник, без проникновения радиоволны в толщу ионизированного газа. Этим обусловлено слабое поглощение ДВ и СДВ в ионосфере.
Расстояние от земной поверхности до нижней границы ионосферы составляет 60—100 км, т. е. того же порядка, что и длина волн (ДВ и СДВ), так что волны распространяются между двумя близко расположенными полупроводящими концентрическими сферами, одной из которых является Земля, а другой — ионосфера. Условия распространения при этом примерно такие же, как и в диэлектрическом волноводе.
Как и во всяком волноводе, можно отметить оптимальные волны — волны, распространяющиеся с наименьшим затуханием, и критическую волну. Для волновода, образованного Землей и ионосферой, оптимальными являются волны длиной 25 — 35 км, а критической — волна длиной 100 км. Подобно законам распространения радиоволн в обычных волноводах, в сферическом ионосферном волноводе фазовая скорость радиоволн превышает скорость света в свободном пространстве.
К диапазону средних волн (СВ) относят радиоволны λ= 100 — 1000 м (f = 0,3 — 3 МГц). Диапазон СВ используется для радиовещания, радионавигации, радиотелеграфной и радиотелефонной связи; СВ могут распространяться как земными, так и ионосферными волнами.
Напряженность электрического поля земных волн определяется для малых расстояний, а для больших расстояний — по законам дифракции. СВ испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, поэтому дальность распространения земной волны ограничена расстоянием 1000 км. Следует также учитывать, что неровности земной поверхности снижают эффективную проводимость почвы. Приближенно для равнинной местности γэфф = (0,5—0,7)γ, для, холмистой γэфф= (0,15—0,2)γ, для районов вечной мерзлоты γэфф = γ.
Ближние и дальние замирания на средних волнах
Рис. 4. Ближние и дальние замирания на средних волнах.
1 — земная волна;
2 — волна, отразившаяся от ионосферы один раз;
3 — волна, отразившаяся от ионосферы дважды.
На большие расстояния СВ, распространяются только в ночное время путем отражения от слоя Е ионосферы, электронная плотность которого оказывается достаточной для этого. В дневные часы на пути распространения СВ расположен слой D, который чрезвычайно сильно поглощает энергию этих волн. Поэтому при обычно применяемых мощностях передатчиков напряженность электрического поля на больших расстояниях оказывается недостаточной для приема и в дневные часы распространение СВ происходит практически только земной волной. Ионосферные возмущения не влияют на распространение СВ, так как слой Е мало нарушается во время ионосферно-магнитных бурь.
Замирания на средних волнах наблюдаются только в ночные часы, когда на некотором расстоянии от передатчика возможен приход одновременно пространственной и поверхностной волн в точку В, причем длина пути пространственной волны меняется с изменением электронной плотности ионосферы. Изменение разности фаз этих волн приводит к колебанию напряженности электрического поля во времени, называемому ближним замиранием. На значительное расстояние от передатчика (точка С) могут прийти волны путем одного или двух отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн также приводит к колебанию напряженности поля, называемому дальним замиранием. Скорость замираний невелика (период замираний составляет 1— 2 мин). Статистические характеристики замираний не исследованы.
Для борьбы с замиранием на передающем конце радиолинии применяются антенны с диаграммами направленности, прижатыми к земной поверхности. При такой диаграмме направленности зона ближних замираний удаляется от передатчика, а на больших расстояниях поле волны, пришедшей путем двух отражений, оказывается ослабленным.
К диапазону коротких волн (KB) относят волны длиною от 10 до 100 м (f = 30— 3 МГц). Волны KB диапазона распространяются земной волной на расстояние не более 100 км вследствие сильного поглощения в земной поверхности и плохих условий дифракции.
Схема распространения KB на большие расстояния
Рис. 5 Схема распространения KB на большие расстояния.
а — интерференция волн, отраженных однократно и двукратно от ионосферы,
1 — поверхностная волна;
2—волна, распространяющаяся путем одного отражения от ионосферы;
3 — волна, распространяющаяся путем двух отражений от ионосферы;
4 — волна, рабочая частота которой больше максимально допустимой;
б — интерференция рассеянных волн;
в—интерференция магниторасщепленных составляющих волн.
Распространение KB ионосферной волной происходит путем последовательного отражения от слоя F (иногда слоя Е) ионосферы и поверхности Земли. При этом волны проходят через нижнюю область ионосферы — слои Е и D, в которых претерпевают поглощение (рис. 5, а). Для осуществления радиосвязи на KB должны быть выполнены два условия: волны должны отражаться от ионосферы и напряженность электромагнитного поля в данном месте должна быть достаточной для приема, т. е. поглощение волны в слоях ионосферы не должно быть слишком большим. Эти два условия ограничивают диапазон применимых рабочих частот.
Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не слишком высокой, а электронная плотность ионосферного слоя достаточной для отражения этой волны в соответствии с (3-44). Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона.
Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере (см. рис. 5). Наименьшая применимая частота (НПЧ) определяется из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электромагнитного поля должна быть достаточной для приема.
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.
Необходимость правильного выбора длины волны для сеансов связи в различное время усложняет конструкцию станции и работу оператора.
Зоной молчания KB называют кольцевую область, существующую на некотором расстоянии от передающей станции, в пределах которой невозможен прием радиоволн. Появление зоны молчания объясняется тем, что земная волна затухает и не достигает этой области, а для ионосферных волн, падающих под малыми углами на ионосферу, не выполняются условия отражения. Пределы зоны молчания (ВС) расширяются при укорочении длины волны и снижении электронной плотности.
Замирания в диапазоне KB более глубоки, чем в диапазоне СВ. Основной причиной замираний является интерференция лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы. Помимо этого замирания вызываются рассеянием радиоволн на неоднородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн, а также интерференцией обыкновенной и необыкновенной составляющих магниторасщепленной волны.
При благоприятных условиях распространения KB могут огибать земной шар один и несколько раз. Тогда помимо основного сигнала может быть принят второй сигнал, запаздывающий примерно на 0,1 с и называемый радиоэхо. Радиоэхо оказывает мешающее действие, на линиях меридионального направления.
Радиосвязь на KB претерпевает нарушения, основной причиной которых являются ионосферно-магнитные бури. При этом слой F разрушается и отражение KB становится невозможным. Наиболее часто эти нарушения наблюдаются в приполярных районах и длятся от нескольких часов до двух суток. Второй вид нарушений — внезапные поглощения (наблюдаются только на освещенной части земного шара), которые длятся от нескольких минут до нескольких часов. Часто оба вида нарушений связи возникают одновременно.
Особенности распространения радиоволн различной длины
В однородной среде радиоволны распространяются прямолинейно. Скорость распространения радиоволн в средах с различными электрическими свойствами неодинакова. Практически для радиоприема это не имеет значения, так как средой между приемником и передатчиком является воздух или вакуум, а скорость распространения радиоволн в них практически одинакова. Но переход радиоволн из одной среды в другую (например, в среду, являющуюся плохим проводником электрического тока) вследствие изменения скорости их распространения приводит к преломлению радиоволн, т.е. к изменению направления их распространения. Преломление радиоволн тем меньше, чем короче их длина, и тем больше, чем больше разница между диэлектрическими проницаемостями граничащих сред.
Если среда, в которой распространяются радиоволны, является проводником электрического тока, то происходят потери энергии на ее нагрев возбуждаемыми токами.
От гладкой поверхности вещества, обладающего электропроводностью, радиоволны отражаются; при этом угол падения равен углу отражения. Если на отражающей поверхности имеются неровности, размеры которых соизмеримы с длиной волны, наблюдается рассеянное отражение.
Радиоволны, излучаемые антенной, распространяются вдоль земной поверхности (поверхностные радиоволны) и под углом к горизонту (пространственные радиоволны).
Поверхностные радиоволны хорошо огибают (явление дифракции) предметы, встречающиеся на пути их распространения, если размеры этих предметов меньше длины волны. Связь поверхностными радиоволнами устойчива. Но поверхностные радиоволны частично поглощаются почвой (электромагнитная энергия расходуется на нагревание почвы), поэтому интенсивность электромагнитных колебаний по мере удаления их от места излучения снижается. Величина потерь зависит от частоты колебаний радиоволн и проводимости почвы (чем выше частота и меньше проводимость почвы, тем больше потери). Степень затухания поверхностной радиоволны возрастает пропорционально квадрату частоты.
По мере удаления радиоволны от передатчика величина энергии в каждой точке пространства уменьшается. Это явление называется рассеянием энергии.
Распространение пространственных радиоволн во многом зависит от свойств атмосферы, состав которой неоднороден. Под влиянием солнечных и космических лучей происходит ионизация воздуха. На больших высотах резко увеличивается число свободных электронов. Верхний слой атмосферы называется ионосферой. Ионосфера в свою очередь разделена на несколько слоев, в которых степень ионизации достигает наибольшего значения. Эти слои разделены областями с меньшей степенью ионизации. Максимальная концентрация от слоя к слою повышается и для верхнего слоя может достигать 2 * 106 электронов на кубический сантиметр. Ионизированный слой D расположен на высоте 60-80 км (он образуется только в летнее время, днем), слой Е - на высоте 100 - 120 км (на границе области с однородным составом атмосферы и области молекулярного кислорода), слой F1 - на высоте 180-250 км (неустойчивый, обусловленный ионизацией молекулярного азота), слой F2 - на высоте 250-500 км (обусловлен ионизацией атомного кислорода).
Высота ионизированных слоев и концентрация электронов в них зависят от интенсивности солнечных лучей, от времени суток и года. Днем ионизация сильнее, чем ночью, летом сильнее, чем зимой. В периоды наибольшей солнечной деятельности (периодичность составляет 11 лет) наблюдается наибольшая концентрация электронов в слоях ионосферы. Так как изменение высоты слоев ионосферы происходит через значительные отрезки времени, практически это не мешает при приеме радиосигналов.
Достигнув ионизированного слоя, радиоволна преломляется в сторону земли из-за изменения скорости распространения. Степень преломления зависит от плотности ионизации, от угла падения пространственной радиоволны и ее длины (чем длиннее радиоволна, тем сильнее она преломляется).
Под влиянием электромагнитного поля радиоволн электрические заряды, находящиеся в ионосфере, начинают колебаться, сталкиваться друг с другом. При этом выделяется тепло. Таким образом, в ионосфере происходит потеря энергии радиоволн. В отличие от поглощения радиоволн в земле степень поглощения радиоволн в ионосфере с увеличением частоты уменьшается, а не возрастает.
и т. д.), особенно когда размеры препятствия равны или меньше длины волны. Это явление называется дифракцией радиоволн. Схема распространения радиоволн представлена на рис. 6.
Так как поглощение энергии радиоволн в ионосфере возрастает с увеличением длины волны, а энергия радиоволны длиной 2000—3000 м практически поглощается полностью, то радиосвязь на длинноволновом диапазоне осуществляется при помощи поверхностных радиоволн.
Дальность передач радиостанций, работающих на поверхностных радиоволнах, зависит от их мощности. Так, для обеспечения
хорошего качества передачи иа расстояния в несколько тысяч километров необходима мощность радиостанции в несколько сотен п даже тысяч киловатт. Однако в дневное время радиоволны ДВ и СВ диапазонов сильно поглощаются нижними слоями ионосферы, и поэтому дальность действия даже мощных ДВ и СВ радиостанций снижается до нескольких сотен километров.
В вечернее и ночное время, когда степень ионизации нижних слоев ионосферы значительно уменьшается, дальность действия ДВ и СВ станций увеличивается до 2000 км и более.
Средние волны в меньшей степени, чем длинные, поглощаются ионосферой, поэтому передача на СВ возможна с помощью пространственных радиоволн за счет их отражения от ионосферы. Дальность передачи в СВ диапазоне пространственным лучом возможна на расстояние 1000 км и более. На рис. 7, а и О показаны схемы распространения длинных и средних волн.
Короткие волны в большей степени, чем длинные и средние, поглощаются земной поверхностью и практически совсем не поглощаются ионосферой. Поэтому радиосвязь поверхностным лучом на электронной концентрации N (1 /см*) и частоты радиоволны I (кгц):
При данной частоте / увеличение концентрации электронов в данном слое ионосферы приводит к увеличению скорости распространения фронта волны. Поэтому при проникновении радиоволны в ионосферу, при наклонном ее падении, вышерасположенные участки фронта волны опережают
Рис 6-18. Влияние угла возвышения (угля падения) на преломление радиоволн а ионосфере.
нижерасположенные его участки и фронт волны претерпевает изменение угла наклона по отношению к земной поверхности. Поскольку электронная концентрация в ионосфере увеличивается (до максимума в слое
на некоторой высоте фронт волны может наклониться так, что радиоволна возвратится к земной поверхности. Искривление траектории движения радиоволны в ионосфере тем сильнее, чем значительнее растет электронная концентрация и чем меньше частота радиоволны.
От ионосферы могут отражаться радио- волны. падающие на ионосферу вертикаль- но. т. е. при угле падения ф-0 (рис. 6-18). В этом случае при определенной концентрации N от ионосферы могут отражаться радиоволны с частотой /а*рт=] / 80.8 N.
Соотношение между частотами наклонно- го луча (частота /) и вертикального луча • частота />ерт). отражающимися от одной н той же области ионосферы с концентрацией N. имеет вид:
Наибольшая частота (соответствующая максимальной концентрации Nмш*«). при которой радиоволны отражаются от ионосферы при вертикальном падении на ионосферу. называется критической частотой /ир.
Наряду с преломлением радиоволны в ионосфере испытывают поглощение. С увеличением длины волны увеличивается поглощение радиочастотной энергии в ионосфере, причем в более низких участках ионосферы потери энергии больше, чем в более высоких участках.
Чем положе траектория падения радио- волны, т. е. чем меньше угол возвышения
в волны относительно земной поверхности, тем легче выполняется условие для воз- вращения радиоволн на Землю (рис. 6-18). Более длинные волны отражаются при больших углах в, чем более короткие. Ультра- короткие волны (короче 4—5 м) в обычных условиях не отражаются ионосферой даже при углах в, близких к нулю; они пронизывают ионосферу, испытывая незначительное искривление траектории движения, и уходят в космическое пространство.
Для каждого угла возвышения при дан- ной электронной концентрации существует максимальная частота (МЧ): волны с частотами выше МЧ не возвращаются, а волны с частотами ниже МЧ возвращаются после падения на ионосферу к земной поверхности. При этом МЧ связана с критической частотой «законом секанса»:
В ионосфере происходят как «закономерные» изменения электронной концентрации (в пределах суток, от сезона к сезону и т. д.), так и случайные, вызываемые, на- пример, вихревым движением ионосферного воздуха. При этом, особенно в нижних участках ионосферы, на уровне и ниже слоя Е, возникают неоднородности с резко повышенной электронной концентрацией. При наличии таких неоднородностей в ионосфере возможно отражение метровых волн.
Рис. (-19. Возникновение замираний из-за интерференции пространственных волн.
I — волна, отразившаяся 1 раз от ионосферы: 3—волна, дважды отразившаяся от ионосферы.
Максимальная дальность прохождения радиоволной пути (передающая сторона — ионосфера — Земля) не превышает 4 000 — 4 500 км. Однако возможно использование последовательного многократного отражения радиоволн от ионосферы и Земли, вследствие чего дальность действия пространственных волн может достигать 10 000— 15 000 км и более (на коротких волнах).
Особенностью приема пространственных волн является наличие замираний сигналов (федингов) с длительностью от до- лей секунды до нескольких десятков секунд (и более). Замирания чаще всего являются следствием интерференции радиоволн, про волн коротковолнового диапазона может достигать 10 000—15 000 км.
Для приема пространственных волн характерны замирания сигналов длительностью от долей секунды до десятков секунд, возникающие чаше всего из-за интерференции радиоволн, прошедших разные пути и поэтому
Рис. 9-8. Влияние угла возвышения радиоволны на преломление радиоволн в ионосфере. • — угол повышения; у—угол падения
имеющих различные фазы. Например, часто в месте приема интерферируют волны, одна из которых претерпевает на пути до точки приема однократное, а вторая— двукратное отражение от ионосферы. Результирующее поле в месте приема при отсутствии сдвига фаз
Рис. 9-9. Образование зоны молчания.
почти удваивается. При сдвиге же фаз на 180' наступает замирание.
Прием пространственных волн коротковолнового диапазона характеризуется также наличием зоны молчания, возникающей вследствие того, что на некотором расстоянии от передатчика поверхностная волна затухает, а отраженная от ионосферы пространственная волна не попадает сюда (рис. 9-9).
9-4. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯУЛЬТРАКОРОТКИХ ВОЛН
Основное значение при распространении радиоволн ультракоротковолнового диапазона имеют тропосферные поверхностные волны. На волнах длиннее 4—5 м существенную роль играют также пространственные
волны. Дифракция на этом диапазоне выражена слабо. В пределах прямой видимости между передающей и приемной антеннами устойчивая радиосвязь получается с передатчиками небольшой мощности (в единицы и десятки ватт) и приемниками невысокой чувствительности(порядка 1 ма). Для приема за пределами прямой видимости большое значение имеют преломление и рассеяние радиоволн в тропосфере.
Следует отметить, что максимальное расстояние возможного приема рассеянных в тропосфере ультракоротких волн при большой мощности (10 кет и более)передающей станции может достигать 700—800 им^Н'огда до 1 000 км). Однако качество приема обычно поручается .невысоким вследствие фазовых сдвигов радиоволн. пришедших в точку приема из различных областей тропосферы, причем увеличение расстояния ведет к еще большим искажениям принимаемых сигналов. Повысить качество приема в этих условиях можно путем улучшения направленности передающей и приемной антенн.
Прием слабых рассеянных сигналов обычно сопровождается более или менее глубокими замираниями(быстрыми н медленными). С быстрыми замираниями
можно успешно бороться, если принимать сигналы одновременно на две антенны, разнесенные на расстояние больше 10Х (антенны располагают вдоль линии, перпендикулярной направлению приема).
Регулярный прием (с небольшими замираниями)телевидения на типовые телевизоры с использованием направленных антенн за счет рассеяния и преломления ультракоротких волн в тропосфере возможен только до200—300 км от телевизионных центров. Неустойчивый же прием сигналов телевизионных центров, характеризующийся глубокими замираниями и искажениями качества изображении, получается и на больших расстояниях.
На волнах короче 10 см начинает сказываться поглощение радиочастотной энергии в парах воды и кислороде воздуха. По мере укорочения волны это поглощение резко возрастает. В условиях осадков возникают
дополнительные потери энергии. Поэтому волны короче 10 см для радиосвязи применяются редко (они широко используются в авиационной и корабельной радиолокации).
На волнах длиннее 4—5 м наблюдаются интенсивные отражения от ионосферы (слоя Р,) в годы высокой солнечной активности (последний максимум ее был в 1957 г.. минимум приходится на 19С5 г.. очередной максимум наступит в 1967—1968 гг. Можно ожидать, что до 1967 г. число случаев дальнего приема телевизионных передач за счет отражения волн от слоя будет сравнительно небольшим, а начиная с 1967 г. число их резко увеличится. Надо иметь в виду, что на таких волнах отраженные сигналы «проходят» только при не- больших углах падения на ионосферу, и поэтому прием возможен только на расстояниях от передающих стан- ций. превышающих I 1)00 км. Более близкие расстояния «входят» в зону молчания.
Прием телевизионных сигналов, отраженных от слоя Г2> сопровождается значительным» искажениями и радиосвязь при этом носит неустойчивый характер. Более устойчивая радиосвязь получается за счет некоторого рассеяния метровых волн на неоднородностях нижних участков ионосферы. Для надежной радио- связи в этом случае необходимы мощные пере- датчики (в десятки киловатт) и остронаправленные антенны.
В последнее время появились сообщения об установлении радиолюбительских связей путем отражения сиг-
воздуха с высотой. При этом участки фронта волны, расположенные на некоторой высоте нал земной поверхностью. распространяются с большей скоростью, чем нижерасположенные участки фронта волны (рис. 9-6). Вышерасположенные участки за один и тот же момент времени проходят больший путь, чем ниже расположен-
Рис. 9 б. Рефракция радиоволн в тропосфере.
ные. фронт волны постепенно наклоняется вперед, по па- правлению к земной поверхности, что вызывает передачу радиочастотной энергии за пределы прямой видимости.
Рефракция радиоволн в тропосфере в сильной степени определяется метеорологическими условиями и в зависимости от них может проявляться больше или
меньше. Рефракции подвержены радиоволны всех диапазона. Однако наибольшее значение она имеет в диапазоне ультракоротких волн, поскольку на этих волнах практически очень слабо выражена дифракция.
В тропосфере происходит также произвольное (бес- порядочное) изменение направления распространения радиоволн из-за вихревых неоднородностей. образующихся при перемешивании восходящих и нисходящих потоков воздуха (с разной температурой). Это приводит к рассеянию радиоволн, очень заметному на ультракоротких волнах, для которых оно является источником постоянно существующего слабого поля работающих радиопередатчиков далеко за пределами прямой видимости. Для приема рассеянных полей необходимы чувствительные приемники и направленные антенны. Прием рассеянных радиоволн сопровождается довольно глубокими замираниями и характерен искажениями принимаемых сигналов с широким спектром частот (импульсные, частотно-модулированные сигналы и др.). так как в место приема одновременно приходят сигналы, рассеянные в различных участках тропосферы и имеющие поэтому существенные фазовые сдвиги.
Пространственные волны. Распространение радиоволн на большие расстояния путем пространственных волн объясняется преломлением (отражением) и рассеянием их в ионосфере. Увеличение концентрации электронов в ионосфере с вы- сотой приводит к повышению скорости движения фронта радиоволны. Поэтому в случае проникновения последней в ионосферу при наклонном ее падении вышерасположенные участки фронта опережают ниже расположенные участки, фронт волны искривляется и при достаточной концентрации электронов на некоторой высоте может повернуться в направлении Земли, что обусловливает возвращение определенной части радиочастотной энергии к наземным пунктам (рис. 9-7), Искривление траектории движения радиоволн п ионосфере тем сильнее, чем больше концентрация электронов и чем меньше частота радиоволны. Наряду с преломлением радиоволны в ионосфере испытывают поглощение. С увеличением длины волны увеличивается поглощение радиочастотной энергии, при- чем в более низких участках ионосферы потери энергии больше, чем в более высоких ее участках.
Чем положе траектория падения радиоволн, т. е. чем меньше угол возвышения волны относительно земной поверхности, тем легче выполняются условия для возвращения пространственных волн на Землю (рис. 9-8). Более длинные волны могут отражаться при более крутом падении на ионосферу, чем более короткие. Ультракороткие волны короче 4—5 м в обычных условиях вообще не отражаются ионосферой даже при очень небольших углах падения. Они пронизывают ионосферу (при некотором искривлении траектории движения) и уходят в космическое пространство. Поэтому этот диапазон волн применяется для радиосвязи вида Земля- Космос. Космос —Земля при полетах космических ракет к другим планетам.
Наибольшая частота, при которой радиоволны отражаются от данного слоя при вертикальном падении на ионосферу, называется критической частотой. Для каждого угла возвышения 0 (рис. 9-8) при данной электронной концентрации существует максимальная применимая частота. Волны с частотами выше этой частоты не возвращаются, а волны с частотами ниже ее возвращаются на Землю.
В ионосфере происходят как закономерные изменения электронной концентрации (в пределах суток, от сезона к сезону и т. п.). так и случайные изменения, вызываемые. например, вихревым движением ионосферного воздуха. При этом, особенно в нижних участках ионосферы, на уровне слоя Е и ниже его возникают не- однородности с резко повышенной электронной концентрацией. При наличии таких неоднородностей в ионосфере возможно отражение даже метровых волн.
Дальность прохождения радиоволной пути передающая сторона — ионосфера — Земля не превышает 4 ООО— 4 500 км. Однако возможно многократное последовательное отражение радиоволн от ионосферы и Земли, благодаря чему дальность действия пространственных
тате они распространяются как бы между двумя сферическими поверхностями из металла и могут охватывать весь земной тар (рис. 2.19).
Длинные волны существенно поглощаются нижними слоями ионосферы. Однако в этом имеется и положительный эффект — принимаемый сигнал мог бы повторяться, если бы радиоволны пространственного луча не затухали, многократно огибая земной шар.
Средние волны (100 м 1 км) благодаря дифракции распространяются на сотни километров. На больших рас- стояниях земной луч быстро теряет свою энергию. Слои ионосферы с малой концентрацией электронов не могут
отражать средние волны. Они достаточно глубоко проникают в ионосферу и отражаются лишь слоем Е. Однако низ- лежащие слои, в особенности слой О, сильно ослабляют отраженный луч. Поэтому днем, при существовании слоя О, средние волны распространяться на большие расстояния
не могут. Ночью, когда слоя О нет, на средних волнах возможна связь на больших расстояниях за счет пространственного луча.
При распространении радиоволн двумя лучами в точке приема происходит сложение двух колебаний (рис. 2.20). Соотношения фаз этих колебаний зависит от разности рас- стояний, которая меняется вследствие флюктуаций и мест-
Рис. 2.20. Распространение средних волн земным и небесным лучами.
Рис. 2.21. Выбор оптимального направления луча для связи между двумя пунктами.
нах), и поэтому замирания результирующих полей получаются более частыми и глубокими. Да и причин фединга здесь больше: в ионосфере изменяется не только фаза, но и поляризация интерферирующих волн; на коротких волнах в приемной антенне может интерферировать более двух волн от одной и той же станции (см. лучи /, 2, 3 на рис. 15.5), при переходе от средних волн к коротким одно и то же изменение разности хода интерферирующих ваш вызывает в десятки раз большее изменение фазового сдвига между ними.
В коротковолновом диапазоне возможно также ближнее и дальнее эхо. Радиоэхо — это повторение сигнала в результате последовательного приема волн, отразившихся от ионосферы один раз или многократно. При этом ближнее эхо образуется за счет волн, распространяющихся от передающей антенны к прием- ной по кратчайшему пути (ванны /, 2, «?), а в образовании дальнего эха участвуют ваты, как однажды отразившиеся от ионосферы (ваша /), так и обо- гнувшие земной шар по даль- нему пути (ваша 4). Из-за малых потерь энергии на пути распространения волн между Землей и ионосферой вторичная волна может оказаться интенсивной и заметно ухудшить радиосвязь. Радиоэхо имеет практическое значение в случае приема коротких сигналов (например, фототелеграфных).
В 1946 г. советский ученый Н. И. Кабанов установил возможность дальнего рассеяния коротких ваш. Это явление, названное эффектом Кабанова, заключается в том, что если ванны после отражения от ионосферы падают на неровную поверхность Земли, то они рассеиваются в месте падения; часть рассеянных волн направляется обратно к ионосфере и может по тому же пути возвратиться к месту излучения.
На основе эффекта Кабанова производится возвратно-наклонное зондирование ионосферы, сущность которого заключается в том, что на ионосферу посылается радиоимпульс и после отражения от нее этот радиоимпульс принимается; по времени запаздывания импульса и диаграмме направленности антенны можно судить о пути, пройденном ванной, радиусе зоны молчания и критическом угле 6кр, соответствующем частоте излучения и плотности ионизации отражающего слоя ионосферы.
Эффект Кабанова может быть использован в радиолокации.
Рис. 15.5. Многократное отражение
радиоволн от ионосферы.
крупные здания), что также способствует уверенной свнзн, независимо от рельефа местности.
Интенсивность пространственной волны зависит от длины пути, проходимого волной в ионосфере, и от степени поглощения энергии в ионосфере. На длинных и средних волнах это поглощение велико, особенно днем и летом. Поэтому практически пространственные волны не используются для длинноволновой связи, по крайней мере, в дневное время, когда плотность электронов в ионосфере велика. Ночью и зимой пространственная волна достигает земной поверхности и векторно складывается с поверхностной волной. Так как пути, проходимые пространственной и поверхностной волнами различны, то в пункте приема передача может либо усилиться, либо ослабиться. Такие колебания интенсивности волны в пункте приема называются замираниями и вызывают нежелательные искажения передачи. На коротких волнах поверхностная волна быстро затухает вследствие поглощения энергии землей. Главное значение приобретает пространственная волна.
Так как Земля, будучи проводником, также отражает радиоволны, то возможны многократные отражения (рис. 2.11), что обеспечивает радиопередачу па очень боль-
шие расстояния, вплоть до обхода всего земного шара (наблюдались случаи до 5-кратного обхода Земли), при сравнительно небольшой мощности передатчика (10—100 вт).Расстояния АВ, ВС . . . (рис. 2.11) называются скачком волпы. Величина скачка зависит от высоты ионосферы и угла а, под которым радиоволны направляются передающей антенной па ионосферу.
В пунктах В, С, !) наблюдается максимальная интенсивность приема, а между
ними прием почти невозможен (зона молчании). В действительности, передающая
антенна излучает волны не одним лучом под каким-либо определенным углом а, а пучок лучей. Благодаря этому зопы молчания сокращаются.
Учитывая измепение высоты ионосферы не только в течение года или суток,
но и час от часу, а также наличие «неровпостей» самого отражающего слоя, в каждый пункт приема одновременно приходят волпы, имеющие некоторую разность хода. В результате интерференции этих воли бывают особенно заметны явления замирания, что является серьезным недостатком коротких волн.
УКВ волны могут распространяться только поверхностной волной, так как
пространственная волна не преломляется и не отражается ионосферой. Поэтому передающие антенны УКВ станций строятся всегда так, чтобы максимум направленного действия совпадал с направлением па пункт приема. Вследствие малой длины волпы УКВ не могут огибать крупных препятствий, и поэтому необходимо, чтобы между передающей и прием пой антенпами имелась «прямая видимость». При данной высоте обеих антенн дальность действия определяется кривизной земного шара и обычно на превосходят 100—150 км.
Анализ излучения, распространения и приема электромагнитных волн убеждает нас в том, что для радиосвязи выгодно применять электро- магнитные волны небольшой длины. Поэтому для возбуждения электро-
Рис. 2.10. К объяснению распространения радиоволн.
Рис. 2.11. Многократное отражение радноволн ионосферой.
§ 3. УПРАВЛЕНИЕ КОЛЕБАНИЯМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
От ионосферы при определенных условиях могут отражаться радиоволны с широким диапазоном частот от длинных (5—10 км) до верхней границы УКВ (10—15 м и даже 6 м).
Распространение радиосигналов
Как известно, радиоволны с разными распространяются в атмосфере (т.е. в основной зоне действия авиационных радиосистем) неодинаковым образом. Прежде всего, дадим краткое описание эффектов, происходящих с радиоволнами в двух наиболее значимых областях атмосферы – в тропосфере и ионосфере.
Влияние тропосферы на распространение радиоволн
Тропосферой называется нижняя часть атмосферы, прилегающая к земной поверхности. Верхняя граница тропосферы располагается на высотах до 10 км над полярными широтами и до 18 км над зоной тропиков. В тропосфере, сильно насыщенной водяными парами (за счет испарения с поверхностей морей и океанов), сосредоточена основная масса (около 80%) всей атмосферы. Поскольку тропосферная область неоднородна (концентрация водяных паров обычно резко падает с высотой , изменяя относительную диэлектрическую проницаемость среды, а следовательно, и коэффициент преломления ), это обстоятельство вызывает искривление (рефракцию) траектории радиоволн. В традиционном случае, когда градиент постоянен по всей толще тропосферы и составляет величин 4*10 -8 1/м, радиоволна начинает отклонятся в сторону земной поверхности (положительная рефракция – луч 1 на рис. 2.1.) с радиусом кривизны .
 |
| Рис. 2.1. Виды рефракции радиоволн в тропосфере |
Однако под влиянием различных метеорологических факторов тропосфера из нормальной может превратиться в обладающую аномальными свойствами - если произойдет выравнивание коэффициента преломления высоте , то рефракция будет отсутствовать (луч 2 на рис. 2.1.), а если показатель преломления будет возрастать с высотой , то радиоволна будет иметь траекторию, обращенную выпуклостью в сторону земли (отрицательная рефракция - луч 3 на рис. 2.1.). Обе эти ситуации являются нежелательными в практике авиационных радиосистем, так как в этих случаях радиосигнал в точке приема ослабляется либо вообще отсутствует.
Наконец, еще одним рефракционным эффектом является сверхрефракция (рис. 2.2), при которой радиоволны, излученные под некоторым углом возвышения, испытывают в нижних слоях тропосферы полное внутреннее отражение и возвращаются на землю, от которой вновь переотражаются, и т.д.
 |
| Рис. 2.2. Эффект сверхрефракции |
Сверхрефракция, наблюдаемая. в основном, на дециметровых волнах (на радиотрассах, проходящих над морской поверхностью, или над сушей во время устойчивой ясной погоды), приводит к резкому повышению дальности действия радиосистемы (много больше пределов прямой видимости), однако в силу своей случайности оказывается эффектом нерегулярным.
Вторым, после рефракции, явлением, имеющим место в тропосфере, является поглощение радиоволн.
Длинные, средние и короткие радиоволны в тропосфере почти не ослабляются. Поглощение становится заметным для радиоволн, у которых . При этом часть электромагнитной энергии затрачивается на превращение в тепло (нагреваются газы тропосферы, кислород и водяные пары, а также гидрометеоры – снег и капельные образования дождя, тумана и града), а другая часть рассеивается гидрометеорами и твердыми частицами (пыль, дым) в разные стороны.
Эффект тропосферного рассеивания сантиметровых радиоволн на достаточно протяженных и в известной степени стабильных слоистых неоднородностях (гидрометеообразованиях), а также на мелкомасштабных неоднородностях турбулентного происхождения – этот эффект привел к повышению дальности действия авиационных радиосистем за пределы прямой видимости (это поясняется рис. 2.3). Антенна радиопередающего устройства излучает сантиметровые радиоволны в направлении протяженной слоистой тропосферной неоднородности, которая отражает (рассеивает) эти радиоволны в разные (по причине внутренней неупорядоченности) стороны – в том числе и на антенну радио-приемного устройства. Так возникает радиоканал между и , обусловливающий дальнюю тропосферную связь.
 |
| Рис. 2.3. Явление увеличения дальности действия за счет отражения радиоволн от протяженных гидрометеообразований |
Вместе с тем, радиоволны при дальнем тропосферном распространении подвержены отрицательному эффекту замирания, т. е. глубокому (в одних случаях быстрому, в других – медленному) изменению уровня радиосигнала в точке приема. Для ослабления эффекта замирания обычно используют прием не на одну, а на две разнесенные в пространстве (на расстояние порядка ) антенны, расположенные на перпендикуляре к направлению распространения радиосигнала, то есть учитывают пространственную избирательность замираний.
Влияние ионосферы на распространение радиоволн
Ионосферой называют верхнюю часть атмосферы, располагающуюся на высотах от 60 до 20000 км и насыщенную газом, который частично или полностью находится в состоянии ионизации. Это означает, что ионосфера имеет огромное содержание свободных электронов и ионов, обязанных своим происхождением ультрафиолетовому и рентгеновскому излучениям Солнца, а также потокам солнечных и космических заряженных частиц. падающих извне на атмосферу.
Однако, наряду с ионизацией (в основном, над освещенной солнцем частью земного шара), происходит и обратный процесс – рекомбинация электронов и положительных ионов 8 нейтральные атомы и молекулы. Особенно энергично рекомбинация развивается после прекращения действия источника ионизации после захода Солнца, например. Поэтому, в целом, ионосфера является квазинейтральной, хотя концентрация электронов на разных высотах оказывается различной (максимальная концентрация приходится на высоты от 100 до 1000 км).
Сказанное означает, что относительная диэлектрическая проницаемость ионосферы изменяется с высотой, а следовательно, переменным оказывается и коэффициент преломления . Поскольку для ионосферы (меньше, чем для вакуума), то возможна ситуация, когда с увеличением высоты значение последовательно становится равным нулю, а затем и отрицательным числом в этом случае радиоволна, последовательно преломляясь на различных участках ионосферы, в конце концов отражается от нее.
На рис. 2.4 изображена траектория радиоволны для этого случая. Поскольку с ростом высоты значение ε падает (концентрация электронов растет), то при каждом переходе радиоволны из i-го слоя (оптически более плотного) в -й слой (оптически менее плотный) очередной угол преломления оказывается больше, чем угол падения, и наконец, наступает момент, когда угол преломления может оказаться равным (или больше) 90º, после чего радиоволна начнет распространятся в обратном направлении (в сторону земли). Угол падения в этом случае может быть вычислен из формулы Снеллиуса:
где – концентрация электронов в m-слое; – частота радиоволны.
 |
| Рис. 2.4. Явление отражения радиоволны от слоя ионосферы с достаточно высокой концентрацией свободных электронов |
Из совместного анализа уравнения (2.2) и описанной ситуации, в частности следует, что если частоту увеличить, то отражение радиоволны произойдет от слоя с более высокой концентрацией свободных электронов. Расстояние от радиопередающего устройства до точки приема на земной поверхности возрастет, хотя угол не изменился. Наконец, если частоту повысить еще больше, то отражения радиоволны от очередного слоя уже не произойдет, и для такой радиоволны этот слой ионосферы станет прозрачным (радиоволна может устремиться в космическое пространство).
Подводя итог данному рассмотрению, можно сделать вывод о том. что для радиоволн одной частоты (КВ диапазон) ионосфера оказывается своеобразным зеркалом. позволяющим резко повысить дальность действия радиосистемы, тогда как для других радиоволн (УКВ диапазон) появляется возможность радиосвязи с космическими летательными аппаратами.
Как отмечалось выше, тропосфера и ионосфера являются наиболее значимыми (с позиции особенностей прохождения радиоволн) областями атмосферы. Промежуточная (между тропосферой и ионосферой) атмосферная область, называется стратосферой (от верхней границы тропосферы до высот порядка 60 км), оказывает слабое влияние на распространение радиоволн, поскольку обладает сравнительно малой плотностью воздуха (ниже, чем в тропосфере и весьма небольшой концентрацией свободных электронов и ионов (много меньше, чем в ионосфере) – в силу этих причин стратосфера полагается зоной прозрачности радиоволн.
Рассмотрим поддиапазонное прохождение радиоволн в околоземном пространстве.
Инфранизкие радиоволны. Источником данных радиоволн являются достаточно продолжительные (около 100 мкс) молниевые разряд, а распространение этих радиоволн происходит вдоль силовых линий постоянного магнитного по Земли (от северного магнитного полюса к южному), в связи с чем указанные радиоволны могут сначала удаляться от Земли на большие расстояния (до 10 земных радиусов), а затем возвращаться назад. Этот эффект наиболее ярко проявляет себя для молний, возникающих в северных приполярных широтах. В практике авиационных радиосистем, как отмечалось ранее, радиоволны данного типа не используются.
Сверхдлинные и длинные радиоволны. Указанные радиоволны распространяются внутри так называемого «сферического волновода» (т.е. путем последовательных отражений между поверхностью Земли и нижними слоями ионосферы, что позволяет им огибать Землю – по этой причине они используются в радиосистемах дальней навигации (в частности, в фазовых навигационных радиосистемах).
Отметим, что суммарные флуктуации электромагнитного поля отмеченных радиоволн сравнительно невелики (10-30%) и происходят под действием природных факторов (восход и закат Солнца, время года, 11-летний период солнечной активности и др.). Радиоприем данных радиоволн достаточно устойчив.
Средние радиоволны. Особенностью прохождения средних радиоволн является то обстоятельство, что они могут распространятся не только поверхностным лучом (луч 1 на рис. 2.6), но также и отражаться от ионосферы (луч 2 на рис. 2.6).
 |
| Рис. 2.6. Распространение в атмосфере средних радиоволн |
Отражение средних радиоволн от ионосферы происходит на значительно больших высотах, чем отражение сверхдлинных и длинных радиоволн, а именно от тех ионосферных слоев, где концентрация свободных электронов существенно повышена (к примеру, пологий луч радиоволны с требует электронной концентрации 40 см -3 , что соответствует высоте порядка 60 км, а тот же луч частоты - концентрации 3,6*10 3 см -3 , что характерно для высоты уже около 80 км). Наличие ионосферных отражений приводит к интерференции (наложению) поверхностного и пространственного лучей в точке приема.
Если указанные лучи в точке их приема наложатся друг на друга в фазе, принимаемый сигнал усилится, если в противофазе – сигнал ослабнет. Когда ж разность фаз лучей начнет изменяться (например, под влиянием хаотических пульсаций ионизированного газа в ионосфере), то принимаемый сигнал станет флуктуировать случайным образом. Иначе говоря, наличие двух лучей в точке приема ведет, вообще говоря, к нежелательному явлению – к замиранию (федингу) сигнала.
 |
| Рис. 2.7. Интерферирующие пространственные лучи средних радиоволн |
Существует, однако, природный фактор, при котором замирания сигнала оказываются незначительными. В дневные часы радиоволны среднего диапазона (с от 200 до 2000 м) испытывают столь сильно поглощение в ионосфере, что пространственный луч практически исчезает, и радиоприем ведется исключительно по поверхностному лучу.
Возможен и вариант, когда в силу удаленности точки приема поверхностный луч оказывается уже не в состоянии следовать профилю Земли – в этом случае радиоприем происходит только по пространственному лучу, отраженному от ионосферы.
К сожалению, явление замирания сигнала проявляет себя и в этом варианте. Это случается, когда в точку приема приходят два пространственных луча (луч 1 и луч 2 – рис. 2.7), претерпевших различное количество отражений от ионосферы. Одним из средств борьбы с замиранием сигнала является использование специальных (антифединговых) антенн, обладающих пространственной избирательностью (т.е. тех, которые имеют узкие диаграммы направленности).
Короткие радиоволны. Радиоволны данного типа сильно поглощаются в полупроводящей земной поверхности – поэтому дальность действия радиосистем, использующих поверхностный коротковолновый луч, сравнительно невелика (не более нескольких десятков километров).
Если же радиосистема перейдет к работе не с поверхностным. а с пространственным (однократно или многократно отраженным от ионосферы) лучом, то дальность действия такой радиосистемы возрастет. Тот же эффект повышения дальности действия возникнет при увеличении рабочей частоты радиосистемы (о пределах, когда излученный радиосигнал еще не отражается от ионосферных слоев). Это обстоятельство объясняется тем фактом, что с ростом частоты поглощение в ионосфере (и без того небольшое для радиоволн указанного диапазона) падает – в отличие, кстати говоря, от поглощения в земле.
Следует отметить, что операторы, используя радиосистемы, ориентированные на большую дальность действия, в разное время суток задают, в качестве излучаемых, радиоволны с различными : днем применяются радиоволны с от 10 до 25 м, в ночные часы – от 35 до 100 м, а при полуосвещенности - от 25 до 35 м.
Флуктуации (замирания) радиосигнала в точке приема обусловлены интерференцией двух (рис. 2.7) и более пространственных лучей и имеют достаточно беспорядочный (из-за непрерывных изменений высоты отражающего слоя ионосферы, соизмеримых с ) характер.
Другим недостатком, имеющим место при работе на коротких радиоволнах, является наличие так называемых – «зон молчания» вокруг данной радиосистемы (участок АБВ на рис. 2.8).
Дело в том, что короткие радиоволны достаточно сильно поглощаются в земной поверхности, и от этого поверхностный луч обладает невысокой энергетической в точке приема, а радиосистема, соответственно, – невысокой дальностью действия; пространственные же лучи (1 и 2 на рис. 2.8), направленные в ионосферу почти перпендикулярно к ее слоям, пробивают эти слои и уходят в космическое пространство. Так возникает своеобразный парадокс – радиоприемное устройство по мере удаления (по земной поверхности) от радиопередающего устройства сначала принимает все более ослабляющийся радиосигнал, а затем полностью теряет его, а потом прием полностью восстанавливается.
 |
| Рис. 2.8. Зона молчания (на коротких радиоволнах) |
Наконец, при использовании коротких радиоволн может возникнуть эффект так называемого кругосветного радиоэха (рис. 2.9).
 |
| Рис. 2.9. Образование кругосветного радиоэха (короткие радиоволны) |
В этом случае радиосигнал, излученный антенной А, приходит в точку приема Б двумя путями: кратчайшим (луч 1) и более длинным (луч 2). Если расстояние между точками А и Б к короткой дуге земной поверхности меньше, чем 20 000 км, то в точке один и тот же радиосигнал будет принят дважды (подобно эху). Эксперименты показывают, что время затрачиваемое радиосигналом на огибание земного шара, отличается достаточным постоянством – оно изменяет. от 0,13760 до 0,13805 с.
Эффект кругосветного радио не относится к полезным явления. Средствами борьбы с этим эффектом являются как подбор рабочих для волн , так и использование антенн пространственной избирательности (т.е. узконаправленных).
Метровые радиоволны. Метровые радиоволны слабо огибают земную поверхность, и поэтому дальность их распространения поверхностным лучом лишь немногим больше, чем дальность прямой видимости. Что касается пространственного луча, то в диапазоне метровых радиоволн существует явление рассеивания электромагнитной волны – как на локальных неоднородностях тропосферы, так и в нижних слоях ионосферы (в областях неоднородностей концентрации электронного газа). благодаря такому рассеянию дальность распространения метровых радиоволн в этом случае достигает интервала 800. 2000 км (процент аналогичен представленному на рис. 2.3). При этом с ростом частоты paдиоволны рассеяние ослабляется, и по этой причине эффект ионосферного рассеивания приобретает значение лишь для метровых радиоволн, имеющих
Традиционным явлением для пространственных метровых радиоволн является медленное замирание. Однако с ростом значения геомагнитной широты уровень принимаемого радиосигнала (при прочих равных условиях) возрастает. К тому же ионосферные возмущения, сопровождающие мировые магнитные бури на процессы рассеяния метровых радиоволн не влияют. А возникающее ослабление радиосигнала может быть скомпенсировано как повышением мощности радиопередающего устройства, так и применением антенн, обладающих пространственной селекцией (острой направленностью).
Специфической особенностью распространения метровых радиоволн является отражение их от ионизированных следов метеоров. Дело в том, что в земную атмосферу весьма часто (до сотен миллиардов появлений за сутки) вторгаются отдельные метеориты и метеоритные потоки.
Достигая плотных слоев атмосферы (высоты от 80 до 120 км), частицы твердого вещества раскаляются и, в конечном итоге, сгорают, а электроны, испускаемые раскаленным телом, ионизируют окружающий воздух, оставляя за летящим метеоритом след в виде канала ионизированного воздуха с протяженностью до 25 км и начальным диаметром не более 10 см.
Отражение метровых радиоволн от таких только что сформированных ионизированных участков носит ярко выраженный зеркальный характер. Это означает, что данный эффект может быть использован для целей дальней радиосвязи. Однако поскольку длительность существования указанных следов ограничена(0,1 до 100 с), то радиосвязь, осуществляемая таким образом, носит прерывистый характер. Поэтому в радиосистемах, ориентированных на подобный вид связи, информация сначала (в ожидании метеоритного потока) накапливается, а затем (при метеорной вспышке) передается по частотах от 30 до 50 МГц в ускоренном режиме. Подчеркнем еще раз, что радиосвязь за счет отражений от ионизированных следов метеоров возможна только в метровом диапазоне радиоволн.
Дециметровые и сантиметровые радиоволны. Радиоволны дециметрового и сантиметрового диапазонов в ионизированных слоях атмосферы почти не преломляются и не рассеиваются, а легко пронизывают ионосферу и уходят в космическое пространство. Благодаря этой особенности радиоволны указанного диапазона используются для связи с космическими летательными аппараты.
Что касается авиационных радиосистем, то связь между ними осуществляется как в пределах прямой видимости (дециметровые и сантиметровые радиоволны слабо дифрагируют вокруг поверхности Земли) на небольшие расстояния, так и на значительные расстояния (за счет рассеяния на тропосферных неоднородностях).
Миллиметровые радиоволны. В тропосфере миллиметровые радиоволны испытывают как рефракцию (искривление траектории распространения), так и сильное поглощение гидрометеорами (снег, дождь, град, туман и т.п.). Существуют, правда, четыре области значений (1,2 мм; 2 мм; 3 мм; 8,6 мм) в окрестностях которых поглощение данных радиоволн сравнительно невелико, и которые называются «окнами прозрачности» тропосферы (для указанных радиоволн), но общей картины это обстоятельство практически не меняет – миллиметровые волны используются, в основном, лишь для связи между наземными и маловысотными (вертолетными) узлами авиационных радиосистем (поверхностным лучом), да и то в ограниченном числе случаев. Зато радиоволны миллиметрового диапазона находят широкое применение для связи между космическими (находящимися вне тропосферы) летательными аппаратами, поскольку ионосфера совершенно не влияет на условия распространения миллиметровых радиоволн.
Оптические радиоволны. Радиоволны оптического диапазона могут распространяться только в виде поверхностных лучей, причем на небольшие расстояния (до 20 км – при отсутствии осадков). Наличие осадков резко снижает дальность их распространения в тропосфере, и в практике авиационных радиосистем оптические радиоволны используются крайне редко. Зато в полной мере радиоволны данного диапазона применяются для космической связи.