Распространение вдоль линии прямой видимости

Отражение от верхних слоев атмосферы

Огибание поверхности Земли

При огибании поверхности Земли (см. рис. 4, а) путь распространения сигнала в той или иной степени повторяет контур планеты. Передача может производиться на значительные расстояния, намного превышающие пределы прямой видимости. Данный эффект имеет место для частот до 2 МГц. На способность сигналов, принадлежащих данной полосе частот, повторять кривизну земной поверхности влияют несколько факторов. Одним из них явля­ется то, что электромагнитная волна индуцирует электрический ток на поверхности Земли; это приводит к замедлению волнового фронта около земной поверхности. В результате волновой фронт отклоняется в сторону земной поверхности и, таким образом, повторяет ее кривизну. Другим фактором является дифракция. Данное явление связано с поведением электромагнитных волн при наличии препятствий.

Рассеяние электромагнитных волн указанного диапазона в атмосфере происходит таким образом, что в верхние атмосферные слои эти волны не попадают.

Наиболее распространенным примером связи с использованием волн, огибающих поверхность Земли, является радиовещание в AM-диапазоне.

Радиоволны, отражающиеся от верхних слоев атмосферы, используются для любительской, персональной и служебной радиосвязи, а также для международного радиовещания. При рассматриваемом типе распространения сигнал наземной антенны отражается от ионизированных слоев верхней части атмосферы, именуемой ионосферой, по направлению к Земле. Хотя может показаться, что отраже­ние радиоволн от ионосферы аналогично отражению от твердой поверхности, на самом деле данный эффект вызван преломлением волн.

Как показано на рис. 4, б, отражение сигнала от верхних слоев атмосферы (и впоследствии от Земли) может происходить многократно. Если радиоволна распространяется подобным образом, сигнал может получаться на расстоянии тысяч километров от передатчика.

Если частота радиосигнала превышает 30 МГц, то огибание им земной поверхности и отражение от верхних слоев атмосферы становятся невозможными. В этом случае связь должна осуществляться в пределах прямой видимости (рис. 4, в). При связи через спутник сигнал с частотой свыше 30 МГц не будет отражаться ионосферой. Такой сигнал может передаваться от наземной станции к спутнику и обратно при условии, что спутник не находится за пределами горизонта. При наземной связи передающая и принимающая антенны должны находиться в пределах эффективной линии прямой видимости. Использование термина "эффективный" связано с тем, что волны сверхвысокой частоты искривляются и преломляются атмосферой. Степень и направление искривления зависят от раз­личных факторов. Однако, как правило, искривления сверхвысокочастотных волн повторяют кривизну поверхности Земли. Поэтому такие волны распростра­няются на расстояние, превышающее оптическую линию прямой видимости.

Преломление (рефракция)

Преломление происходит из-за того, что скорость распространения электромагнитной волны является функцией плотности той среды, через которую проходит волна. В вакууме электромагнитные волны (например, свет или радиосигналы) распространяются со скоростью, приблизи­тельно равной 3´10⁸ м/с. Данную постоянную величину " с " принято называть скоростью света, хотя строго имеется в виду скорость света в вакууме. В возду­хе, воде, стекле или другой прозрачной или частично прозрачной среде электро­магнитные волны распространяются со скоростью ниже с.

Скорость распространения электромагнитной волны меняется при переходе между веществами разной плотности. В результате происходит разовое преломление направления распространения волны на границе раздела двух сред. При­мер подобного преломления приводится на рис. 5. При переходе из менее плотной среды в более плотную волна изменяет направление распространения в сторону более плотного вещества. Данное явление можно наблюдать при частич­ном погружении стержня в воду. Наблюдаемый результат будет аналогичным тому, что показан на рис. 5, т.е. стержень будет казаться изогнутым и более коротким, чем на самом деле.

Коэффициент преломления при переходе из одной среды в другую определяется как отношение синуса угла падения к синусу угла преломленного луча, этот коэффициент также можно выразить как отношения скоростей распространения волны в различных средах. Абсолютный коэффициент преломления в определенной среде вычисляется по отношению к вакууму. Сигналам с различной длиной волны соответствуют разные коэффициенты преломления. Таким образом, эффект преломления зависит от длины волны сигнала.

На рис. 5 представлено резкое, одномоментное изменение направления распространения сигнала при переходе из одной среды в другую. Если сигнал проходит через вещество, коэффициент преломления которого изменяется постепенно, отклонение от изначального направления распространения будет также происходить постепенно. При нормальных условиях коэффициент преломления атмосферы уменьшается с увеличением высоты. Таким образом, по мере приближения к поверхности Земли скорость распространения радиосигнала уменьшается. В результате происходит незначительное искривление направления распространения радиоволн, поступающих в сторону земной поверхности.