Распространение радиоволн

Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.
Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота).

Мириаметровые и километровые или сверхдлинные и длинные волны (СДВ и ДВ) могут распространяться и как земные, и как ионосферные. Наличие земной волны, распространяющейся на сотни и даже тысячи километров, объясняется тем, что напряжен­ность поля этих волн убывает с расстоянием довольно медленно, так как поглощение их энергии земной или водной поверхностью невелико. Начиная с расстояний 300¸400 км от передатчика по­является ионосферная волна, отраженная от нижней области ионосферы (от слоя Д, находящегося на высоте 60¸80 км в лет­нее дневное время, или от слоя Е, находящегося на высоте 100¸130 км). Глобальные связи на СДВ и ДВ осуществляются волнами, распространяющимися в сферическом волноводе, обра­зованном ионосферой и земной поверхностью.

СДВ и ДВ обладают свойством проникать в толщу воды, а также свойством распространения в некоторых структурах почвы.

Эффективное излучение волн рассматриваемых участков диа­пазона может достигаться лишь с помощью весьма громоздких антенных устройств, размеры которых соизмеримы с длиной вол­ны. Поскольку реально выполняемые антенны этому условию обычно не удовлетворяют, то компенсация пониженной их эффек­тивности достигается увеличением мощности передатчиков до сотен и более кВт.

Существенным недостатком СДВ и ДВ диапазонов является их небольшая частотная емкость.

Практические области применения СДВ иДВ — это связь с подводными объектами, связь по глобальным магистральным ли­ниям и подземная связь.

Гектометровые или средние волны (СВ) испытывают большее поглощение при распространении вдоль земной поверхности, чем волны рассмотренных выше участков. Волны, достигающие ионо­сферы, интенсивно поглощаются слоем Д, когда он существует, но хорошо отражаются слоем Е. Поэтому дальность связи на СВ в дневное время летом всегда ограничена, так как она возмож­на лишь земной волной. В ночное время летом и в течение боль­шей части суток зимой дальность связи, обеспечиваемой ионо­сферной волной, резко увеличивается.

Средневолновые антенные устройства оказываются достаточ­но эффективными и имеют приемлемые габариты даже для моби­льных средств радиосвязи.

Частотная емкость этого участка диапазона значительно вы­ше, чем участков СДВ и ДВ, однако его загруженность мощны­ми радиовещательными радиостанциями создает затруднения в широком использовании этой емкости.

Средневолновые радиостанции чаще всего применяются в арк­тических районах как резервные в случаях потери широко ис­пользуемой коротковолновой радиосвязи из-за ионосферных и магнитных возмущений.

Декаметровые или короткие волны (KB) занимают особое положение. Они могут распространяться и как земные, и как ионосферные волны. Земные волны при относительно небольших мощностях передатчиков, свойственных мобильным радиостан­циям, распространяются на расстояния, не превышающие не­скольких десятков километров, так как они испытывают значи­тельное поглощение в земле, возрастающее с ростом частоты.

Рис. 1.4. Распространение длинных и коротких волн

Ионосферные волны за счет однократного или многократного отражения от ионосферы при благоприятных условиях могут рас­пространяться на сколь угодно большие расстояния. Их основ­ное свойство состоит в том, что они слабо поглощаются нижними областями ионосферы (слоями Д и Е) и хорошо отражаются ее верхними областями (главным образом, слоем F₂, находящимся на высоте 300—500 км над землей). Это дает возможность ис­пользовать относительно маломощные радиостанции для ведения прямой связи в неограниченно широком диапазоне расстояний.

Частотная вместимость KB диапазона значительно больше, чем предшествующих диапазонов, что обеспечивает возможность одновременной работы большого числа радиостанций.

Антенны KB радиостанций при небольших габаритах обла­дают достаточно высокой эффективностью и вполне приемлемы для установки на подвижных объектах.

Радиосвязь ионосферными волнами может осуществляться, если применяемые частоты лежат ниже максимальных значений, определяемых для каждой протяженности линии радиосвязи сте­пенью ионизации отражающих слоев. Кроме того, связь возмож­на лишь в том случае, если мощности передатчиков и коэффициентыусиления применяемых антенн при имеющем место погло­щении энергии в ионосфере обеспечивают необходимую напря­женность электромагнитного поля в точке приема. Первое из двух условий ограничивает верхний предел применимых частот, второе — нижний предел. Таким образом, ведение KB радиосвязи ионосферными волнами на задан­ное расстояние возможно лишь в определенном участке частот­ного диапазона. Ширина этого участка зависит от времени суток и года, а такжеот фазы цикла солнечной активности; его гра­ницы могут быть определены с помощью ионосферных карт (ионосферных прогнозов).

Ультракороткие волны включают в себя ряд участков частот­ного диапазона, обладающих огромной частотной емкостью.

Естественно, что эти участки в значительной степени отлича­ются один от другого по свойствам распространения радиоволн.

Энергия УКВсильно поглощается землей (в общем случае пропорционально квадрату частоты), поэтому земная волна до­вольно быстро затухает

Рис. 1.5. Распространение коротких и ультракоротких волн

Для УКВнесвойственно регулярное отражение от ионосферы, следовательно, связь рассчитывается на использование земной волны и волны, распространяющейся в свободном пространстве.

На первый взгляд дальность связи земными волнами на УКВ должна быть весьма небольшой. Однако следует учитывать, что с ростом частоты повышается эффективность антенных устройств, за счет чего компенсируются энергетические потери в земле.

Дальность связи земными волнами существенно зависит от длины волн. Наибольшая дальность достигается на метровых вол­нах (MB), особенно на волнах, примыкающих к KB диапазону.

Метровые волны не обладают свойством дифракции, т. е. свой­ством огибать неровности рельефа местности. Увеличению дальности связи на метровых волнах способствует явление тропосфер­ной рефракции, т. е явление преломления в тропосфере. При нормальном состоянии тропосферы (при равномерном убывании температуры с высотой) луч, соединяющий корреспондирующие радиостанции, искривляется выпуклостью вверх, что и обеспечи­вает ведение связи на закрытых трассах. Коэффициент преломле­ния тропосферы не остается постоянным во времени, что связано с вариациями метеорологических условий, а это приводит к зами­раниям сигналов, но в отличие от замираний на KB они очень медленные и неглубокие.

В диапазоне метровых волн нередко наблюдается дальнее распространение радиоволн, что обусловлено рядом причин.

Дальнее распространение может возникнуть при образовании спорадических ионизированных облаков (спорадического слоя F_s). Известно, что этот слой может появиться в любое время года и суток, однако для нашего полушария — преимущественно в кон­це весны и в начале лета в дневное время. Особенностью этих облаков является весьма высокая ионная концентрация, достаточ­ная иногда для отражения волн всего УКВ диапазона. При этом зона расположения источников излучения относительно точек приема находится чаще всего на удалении 2000¸2500 км, а ино­гда и ближе. Интенсивность сигналов, отраженных от слоя F_s, может быть очень большой даже при весьма небольших мощно­стях источников.

Другой причиной дальнего распространения метровых волн в годы максимума солнечной активности может быть регулярный слой F₂. Это распространение проявляется в зимние месяцы в освещенное время точек отражения, т. е. тогда, когда поглощение энергии волн в нижних областях ионосферы минимально. Даль­ность связи при этом может достигать глобальных масштабов.

Граница раздела между KB и MB проходит на длине волны 10 м
(30 МГц). Совершенно естественно, что свойства распрост­ранения радиоволн не могут изменяться скачком, т. е. должна су­ществовать область или участок частот, который является пере­ходным. Таким участком частотного диапазона является участок 20¸30 МГц. В годы минимума солнечной активности (а также в ночное время независимо от фазы активности) эти частоты прак­тически непригодны для дальней связи ионосферными волнами, и их использование оказывается чрезвычайно ограниченным. В то же время при указанных условиях свойства распространения волн этого участка становятся весьма близкими к свойствам метровых волн. Не случайно этот участок часто применяется в интересах радиосвязи, ориентирующейся на метровые волны.

Возвращаясь к УКВ диапазону в целом, отметим, что он мо­жет использоваться одновременно очень большим числом радио­станций, тем более, что дальность взаимного мешания между ними, как правило, невелика. Свойства распространения земных волн обеспечивают широкое применение ультракоротких волн для связи в низовой сети, втом числе между различного рода под­вижными объектами.