Распространение радиоволн

Если бы земная поверхность  была идеально проводящей, радиоволны отражались бы от нее без потерь, т.е. земля в этом случае была бы экраном, препятствующим прохождению волн в  глубь почвы. В реальных условиях земля не является ни идеальным проводником, ни идеальным изолятором. Радиоволны, попавшие в землю, возбуждают в ней  переменные электрические токи, которые  часть своей энергии расходуют  на нагрев почвы. Величина потерь энергии  в земле очень сильно зависит  от частоты радиоволн и сопротивления  почвы электрическому току. В почве  с увеличением частоты радиоволн  величина индуцируемой ЭДС возрастает, и соответственно увеличиваются  токи в земле, которые создают  электромагнитное поле обратного направления. Поэтому дальность распространения  поверхностных радиоволн очень  быстро уменьшается с увеличением  частоты.

При уменьшении проводимости грунта радиоволны глубже проникают  в среду и, следовательно, возрастает их поглощение. Еще А.С. Попов заметил, что над поверхностью моря дальность  радиосвязи увеличивается по сравнению  с дальностью связи над сушей.

Надо учитывать также, что скорость распространения радиоволн  в земле меньше, чем в воздухе, и при движении их вдоль ее поверхности  нижний край волны отстает от верхнего, фронт волны наклоняется, и помимо движения вдоль поверхности земли  происходит распространение радиоволны сверху вниз.

Вышеперечисленные факторы  ограничивают возможности использования  поверхностной волны диапазонами  сравнительно длинных волн (мириаметровые, километровые, гектометровые и частично декаметровые).

 

5. Распространение пространственных радиоволн.

Пространственные волны распространяются в атмосфере и не касаются земной поверхности.

Атмосферой называется газообразная оболочка Земли, простирающаяся на высоту более 1000 км. Атмосферу подразделяют на три основные сферы (слоя): тропосферу - приземный слой атмосферы, верхний слой которой лежит на высоте 10... 14 км; стратосферу - слой атмосферы до высот 60...80 км; ионосферу - ионизированный воздушный слой малой плотности над стратосферой, переходящий затем в радиационные пояса Земли. На высотах в сотни километров различные газы, составляющие воздух, располагаются слоями, более тяжелые - ниже, более легкие - выше. Таким образом, атмосфера на этих высотах неоднородна по составу.

Под влиянием лучей Солнца, космических лучей и других факторов воздух ионизируется, т.е. часть атомов газов, входящих в состав воздуха, распадается на свободные электроны и положительные ионы. Ионизированный воздух оказывает сильное влияние на распространение радиоволн. Для различных газов максимум ионизации получается на разной высоте. Ионизированный слой атмосферы - ионосфера - состоит из нескольких слоев .

 

 

На высоте 60...80 км находится  слой D, существующий только днем. Следующий слой Е располагается на высоте 90... 130 км. Еще выше находится слой F, имеющий ночью высоту 250...350 км, а днем разделяющийся на два слоя: F₁ - на высоте 180...220 км и F₂ - на высоте 220...500 км.

Высота, толщина и проводимость ионизированных слоев различны в  разное время суток и года вследствие изменения ионизирующего действия солнечных лучей. Чем больше ионизирующее действие солнечных лучей, тем больше проводимость и толщина ионизированных слоев и тем ниже они располагаются. Днем проводимость и толщина их больше, а высота над землей меньше, чем ночью. Летом проводимость и толщина ионосферных слоев больше, а высота меньше, чем зимой. Через каждые 11 лет на Солнце повторяется максимум солнечных пятен, являющихся мощными источниками ионизирующих излучений. В это время проводимость и толщина ионизированных слоев достигают максимума, и они располагаются ниже.

Таким образом, свойства земной атмосферы, влияющие на распространение  радиоволн, изменяются по довольно сложным  законам. Происходят также изменения  случайного характера, которые предусмотреть  вообще невозможно.

Влияние ионосферы на распространение  радиоволн заключается прежде всего  в том, что радиоволны, попадая  в ионосферу, изменяют свое направление. Происходит это вследствие неоднородного  характера ионосферы. Если бы относительные  диэлектрические проницаемости  воздуха и ионосферы были одинаковы, то волна не меняла бы своего направления. Так как в ионосфере имеются  свободные электроны, ее относительная  диэлектрическая проницаемость  меньше диэлектрической проницаемости  неионизированного воздуха. Вследствие этого при переходе из воздуха  в ионосферу происходит преломление  волны, а поскольку концентрация электронов в верхних слоях ионосферы  возрастает, то волна, многократно преломляясь, возвращается на землю.

Кроме изменения направления  распространения радиоволн в  ионосфере происходит поглощение их энергии. Объясняется это тем, что  радиоволны, попадая в ионосферу, вызывают колебания находящихся  там свободных электронов. Совершая колебательное движение, электроны  сталкиваются с тяжелыми частицами - ионами и молекулами. При этом они  теряют энергию, приобретенную от радиоволны, и передают ее указанным частицам; ионосфера нагревается. Таким образом, часть энергии радиоволны в ионосфере теряется. Чем выше частота радиоволн, тем меньше скорость колебательного движения электронов. Кинетическая энергия, получаемая ими от радиоволны и отдаваемая затем тяжелым частицам, оказывается меньше. Поэтому с повышением частоты потери энергии радиоволны в ионосфере уменьшаются.

Подводя итоги вышесказанному, можно отметить следующее:

- из-за неоднородностей  ионосферы радиоволны преломляются  в ней и отражаются на землю;

- с ростом частоты отражательная  способность уменьшается;

- с ростом частоты уменьшается  поглощение волн в ионосфере;

- состояние ионосферы  и связанные с ним условия  распространения имеют периодические  и непериодические изменения.

 

6. Распространение мириаметровых и километровых волн

(сверхдлинных  и длинных)

Отличительной особенностью этих радиоволн является их способность  хорошо огибать землю. Поэтому напряженность  поля земной волны значительна на расстояниях 1500...2000 км от источника  электромагнитных волн. Однако практическая возможность обеспечивать на этих волнах связь на расстоянии до 20 000 км не может быть объяснена только дифракцией. Не только слой Е, но в дневные часы даже слой D имеет такую плотность ионизации, при которой радиоволны этих диапазонов способны отражаться при любом угле возвышения, в том числе и при вертикальном.

Отраженная этими слоями пространственная волна частично поглощается  землей, а частично отражается от нее, вновь достигая ионизированных слоев. Такое отражение может быть многократным. Учитывая, что при отражении от ионосферы волны сильно поглощаются, для обеспечения связи требуются передатчики большой мощности. Кроме того, недостатками этого диапазона волн являются необходимость строить антенны высотой в несколько сотен метров, большой уровень атмосферных помех и невозможность размещения в этих диапазонах большого числа каналов связи.

Условия распространения  в диапазонах мириаметровых и  километровых волн характеризуются  стабильностью. Регулярные и нерегулярные изменения напряженности выражены очень слабо. Поэтому в этих диапазонах волн созданы очень мощные радиостанции для глобальной (всемирной) радиосвязи. Такие системы имеют важное стратегическое значение и обеспечивают бесперебойную  радиосвязь с объектами, находящимися на любом удалении от радиопередатчика (в том числе с подводными лодками  в погруженном состоянии). В этом же диапазоне создана служба передачи точных частот, необходимая для систем связи во всех диапазонах частот, а  также для систем радионавигации, службы времени и других научно-исследовательских  и хозяйственных целей. В диапазоне  километровых волн ведется также  радиовещание с амплитудной модуляцией.

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Распространение гектометровых (средних) волн.

Для этого диапазона волн характерны ограниченная дальность  распространения в дневные часы и увеличение дальности в ночное время. В дневные часы пространственные волны практически отсутствуют. В слое D эти волны испытывают незначительные поглощение и преломление. Но попав в слой Е с большей степенью ионизации, они испытывают такое сильное поглощение, что на землю почти не возвращаются. Поэтому днем связь на средних волнах осуществляется только поверхностной волной. Практически дальность действия поверхностных волн ограничивается расстоянием 1000... 1500 км.

Вечером и ночью поглощение ионосферой уменьшается. Пространственная волна отражается от слоя Е и мало поглощается им. Напряженность поля в пункте приема является результатом интерференции земной и пространственной волн. Участие ионосферы в распространении средних волн в ночное время сопровождается некоторыми особенностями. Первой из таких особенностей следует считать замирания (уменьшения) амплитуды сигнала в точке приема. Предположим, что в пункте А (см. рис.) находится передатчик, а в пункте Б ведется прием.

Если днем в пункт Б  доходят только земные волны, то ночью  туда же могут попадать и волны, отраженные ионосферой. Поле в пункте приема становится в этом случае результатом интерференции  земных и ионосферных волн. При  совпадении фаз волн результирующее поле усиливается, а при противофазности  ослабляется (замирает). Но степень  ионизации отражающего слоя и, следовательно, глубина проникновения в него радиоволн не остаются постоянными. Они изменяются по случайному закону вследствие непостоянства ионизирующего  излучения Солнца и наличия воздушных  течений. В результате этого изменяется длина пути пространственных волн, а значит, и фазовый сдвиг между  земной и пространственной волнами. Поэтому ночью прием улучшается, но сопровождается замираниями. На больших  же расстояниях, куда земные волны практически  не доходят, прием возможен лишь в  темное время за счет ионосферных  волн. Бороться с замираниями довольно трудно. Наиболее эффективным средством является прием на 2-3 антенны, находящиеся на расстоянии 200-300 м друг от друга. К недостаткам этого диапазона волн следует также отнести большой уровень атмосферных и промышленных помех.Диапазон гектометровых волн во многих странах является основным для организации радиовещания. Передающие антенны в диапазоне СВ выполняются в виде мачт или башен

 
8. Распространение декаметровых (коротких) волн

При распространении декаметровых волн энергия поверхностной волны  сильно поглощается земной поверхностью, особенно над пересеченной местностью. Явление дифракции на коротких волнах не играет заметной роли, поскольку  эти волны поглощаются обычно раньше, чем станет ощутимой кривизна земли. Величина напряженности поля поверхностной волны в пункте приема зависит от направленности передающей антенны. На более коротких волнах этого  диапазона сказывается также  высота подъема передающей и приемной антенн над землей. Дальность распространения  поверхностной волны обычно не превышает  десятков километров, особенно для  верхней половины диапазона (50... 10 м).

Радиосвязь на коротких волнах (KB) осуществляется ионосферными лучами. В нормальных условиях короткие волны отражаются в основном слоем F, а в нижележащих областях Е и D происходит поглощение энергии КВ. Такое прохождение KB изображено на рисунке ниже. Там же показана возможность увеличения дальности коротковолновой связи путем двух «скачков», т.е. двукратного отражения от ионосферы.

 

Большая дальность связи  достигается благодаря тому, что  при правильном выборе длины волны  поглощение энергии в ионосфере  на KB незначительно (гораздо меньше, чем на СВ), поэтому в пунктах возвращения отраженных волн к Земле напряженность их поля может оказаться достаточной для приема даже при сравнительно небольшой мощности передатчика.

Характер преломления  зависит от угла, под которым радиоволна падает на отражающий слой.

 

 

Здесь изображены лучи распространения  короткой волны. Угол θ, образованный лучом  волн и касательной к поверхности  Земли в пункте излучения, называется углом возвышения. При крутом падении  θ = 90° волны проходят сквозь ионосферу  в космос. При некотором угле θ_кр (критический угол зависит от степени ионизации слоя и частоты) происходит полное внутреннее отражение и луч распространяется в ионосфере параллельно земной поверхности. При углах, меньших критического, лучи возвращаются к Земле, и тем дальше от пункта излучения, чем меньше угол θ. При излучении по касательной к Земле достигается наибольшая дальность скачка, составляющая приблизительно 4000 км. Необходимая дальность связи определяет тот угол θ, под которым антенна должна излучать максимум энергии.

К недостаткам диапазона  декаметровых волн относится наличие  замираний и образование зоны молчания. Следующий рисунок поясняет образование зоны молчания.

Поверхностный луч не удается  принять в этой зоне, потому что  он оказывается сильно ослабленным. Пространственный луч не может быть направлен в зону молчания, так  как для этого его надо послать  под большим углом к земле, но тогда луч пронижет атмосферу  и уйдет в космическое пространство. Ширина зоны молчания зависит от времени  суток и длины волны: чем короче длина волны, тем шире зона молчания.