Распространение декаметровых (коротких) волн

Затухание поверхностной земной волны в этом диапазоне вследствие поглощения энергии подстилающей поверхностью настолько велико, что радиосвязь на поверхностных волнах возможна лишь в пределах десятков километров (глава 5).

При распространении в качестве пространственных волн, т.е. путем однократного или многократного отражения от ионосферы, короткие волны могут быть использованы для работы на сколь угодно большие расстояния. Малое по сравнению с другими диапазонами поглощение коротких волн в ионосфере определяет их основное достоинство – возможность осуществлять радиосвязь отраженным лучом на дальние расстояния при малой мощности передатчика.

При нормальных условиях распространения пространственных коротких волн каждая из областей ионосферы выполняет вполне определенную функцию: области D и Е являются в этих условиях поглощающими, а слой F ₂ - отражающим.

Схема распространения радиоволн для этого случая показана на рисунке 7.4.

Рисунок 7.4 – Траектория радиоволн при распространении коротких волн

Зависимость распространения радиоволн от состояния ионосферы является характерной особенностью этого диапазона.

Для поддержания уверенной радиосвязи на коротких волнах на большие расстояния необходимы правильный выбор длин волн и смена волн при переходе от дневных условий к ночным.

Днем, при большей степени ионизации, для получения большой дальности радиосвязи надо применять более короткие волны. В ночное время исчезает слой D, т. е. степень ионизации уменьшается и дневные волны уходят в мировое пространство. Поэтому в ночное время необходимо использовать более длинные волны. Исследования показали, что применяемые для связи на большие расстояния короткие волны можно разделить на три поддиапазона:

- «дневные волны» – от 10 до 25 м для радиосвязи в дневные часы;

- «ночные волны» – от 35 до 100 м для радиосвязи в ночные часы;

- «промежуточные волны» – от 25 до 35 м для радиосвязи в часы полуосвещенности.

Так как физические свойства ионосферы изменяются не только в течение суток, но и со сменой времени года (сезонные изменения), то зимой (из-за уменьшения ионизации слоев ионосферы) используются несколько более длинные волны, чем в летние месяцы.

Для обеспечения надежной работы коротковолновых радиолиний составляют так называемое волновое расписание, устанавливающее порядок смены рабочих частот в течение суток. Различные географические районы для различных времен года также имеют различные волновые расписания.

Для коротковолновых линий связи характерна еще одна особенность – наличие так называемых зон молчания, в которых прием передаваемой информации невозможен. Образование таких зон обусловлено тем, что поверхностные волны, не дойдя до места приема, затухают из-за сильного поглощения их энергии подстилающей поверхностью на расстоянии нескольких десятков километров от передающей станции. В то же время пространственные волны, отражаясь от ионосферы, приходят на Землю не ближе некоторого расстояния от передающей станции. Это расстояние зависит от рабочей длины волны, угла падения волн на ионизированный слой, его высоты, времени суток, года и др.

Образование такой зоны поясняет рисунок 7.5. Поверхностная волна будет распространяться от передающей станции (точка А на поверхности Земли) на расстояние нескольких десятков километров (до точки а). Пространственная волна 1, падающая на ионосферу под углом α ₁, лишь немногим больше критического угла α _КР, возвратится в точку б земной поверхности. Эта точка будет ближайшей от передающей радиостанции, в которую попадет пространственная волна. Зона между точками ɑ и б называется зоной молчания и может быть представлена в виде кольцевой области.

В случае ненаправленных антенн ближняя граница зоны молчания, т. е. точка а будет находиться на расстоянии для суши примерно 40 км., а для морской подстилающей поверхности она отодвинется до 400 км.

Расстояние от радиосредства до точки б, т.е. до дальней границы зоны молчания, для различных волн коротковолнового диапазона колеблется в пределах от нескольких сот до 1000 – 2000 км. Чтобы пространственные волны попадали в зону между точками ɑ и б, необходимо уменьшить угол падения волн на ионосферу.
Но в этом случае они не возвратятся на Землю (луч 3, рис. 7.5)

При связи на более коротких (дневных) волнах образуются более широкие зоны молчания (порядка тысячи километров). На волнах 40–100м ширина зоны молчания уменьшается до нескольких сот километров. Следовательно, с ростом рабочей частоты зона молчания расширяется.

Рисунок 7.5 – К пояснению образования зоны молчания

Пространственная волна 2, падающая на ионосферу под углом α ₂, возвратится в точку в, удаленную от передатчика на расстояние 3500–4000 км. Следовательно, работа с однократным отражением радиоволны от ионосферы возможна на линиях связи до 4000 км.

При многократном отражении от ионосферы и Земли дальность связи на коротких волнах может достигать 10–15 тыс. км. По этой причине на волнах короче 50 м на расстоянии около 100 км от передающей станции ее сигналы совершенно нельзя принять; в то же время на расстоянии в несколько тысяч километров обеспечивается исключительно хороший прием сигналов.

Для поддержания работы радиосредств в зоне молчания можно использовать антенны зенитного излучения, т.е. технологию NVIS – NearVerticalIncidenceSkywavepropagation. Её суть сводится к работе радиосредства пространственной волной, которую излучают практически вертикально. Отразившись от ионосферы под малым углом, радиоволны распространяясь назад к подстилающей поверхности создают достаточное по напряженности электромагнитное поле в зоне молчания.

Как и в диапазоне средних волн, на коротких волнах имеют место явление замирания радиосигналов. Основная причина их возникновения – приход в точку приема двух волн после одного или двух отражений от ионосферы, а также из-за сложения в этой точке нескольких волн с различной разностью фаз, образовавшейся в результате рассеяния их на неоднородностях ионосферы. Период замираний на коротких волнах изменяется в пределах от долей секунды до нескольких десятков секунд.

Часто на коротковолновых линиях связи протяженностью 10–15 тыс. км наблюдается явление, получившее название радиоэха; один и тотже сигнал в пункте приема воспроизводится дважды с некоторым интервалом времени. Это обусловлено тем, что в пункт приема радиоволны, несущие сигнал, приходят двумя путями: одним – кратчайшим – между передающим и приемным пунктами (прямое эхо), а другим – более длинным – противоположным основной волне (обратное эхо). В результате один и тот же сигнал принимается в месте приема дважды.

Возможно возникновение и так называемого кругосветного (прямого) эха при однократном или многократном огибании волной земного шара.

Большой вклад в теорию и практику распространения коротких волн внесли советские ученые М.В. Шулейкин, М.А. Бонч-Бруевич, В.В. Татаринов, А.Н. Щукин, Н.И. Кабанов.

Волны декаметрового диапазона весьма широко используются для дальней телефонной, телеграфной радиосвязи, а также для загоризонтной радиолокации.

Заканчивая краткое качественное пояснение особенностей распространения коротких волн, заметим, что их распространение зависит от географической широты расположения радиосредства. Так, средства для радиосвязи, радионавигации и пеленгации, работающие на коротких волнах, созданные для использования в средних широтах, функционируют в высоких широтах менее эффективно. Это связано как с изменением траекторий распространения радиоволн, так и с изменением характеристик принятого радиосигнала. Эти изменения появляются из-за особенностей полярной ионосферы – ее неоднородности, нестационарности и наличия в ней больших градиентов электронной концентрации в горизонтальных направлениях.