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):

=---------------- ^С. (6-16)

где с=3-10» м/сек.

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:

/-Л^зесф. (6-17)

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»:

МЧ--^-=/кр*есф. (6-18)

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 6_кр, 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).