Й учебный вопрос. Распространение радиоволн различных диапазонов

Передача радиосигналов между пунктами, расположенными на земной поверхности, осуществляется с применением разных видов распространения радиоволн, из которых наиболее характерны следующие:

· вдоль земной поверхности;

· с излучением в верхние слои атмосферы и из них обратно к поверхности Земли;

· с приемом с Земли и обратной передачей на Землю посредством космических ретрансляторов.

Распространение радиоволн вдоль земной поверхности существенно зависит от её рельефа и физических свойств. Атмосфера также оказывает влияние на передачу и прием сигналов земными радиостанциями, зависящее от целого ряда природных явлений. Эти зависимости проявляются, в разной форме и степени при разных длинах волн.

В пустоте, в открытом космосе электромагнитная волна распространяется прямолинейно, причем направление вектора напряженности электрического поля Е перпендикулярно направлению распространения (Рис. 2). Вектор магнитного поля Н также перпендикулярен вектору направления и одновременно вектору Е. Все три вектора образуют правовинтовую систему. Если излучатель волн изотропный, т.е. всенаправленный, то и волны распространяются во все стороны от него.

Рис. 2. Идеальное распространение радиоволны

Если бы не было атмосферы, радиоволны из любой точки распространялись бы по касательной к поверхности. Связь можно было бы осуществить только в пределах прямой видимости между мачтами антенн. Можно легко решить задачу о дальности прямой видимости между двумя возвышенными точками по формуле:

,

где – радиус Земли; и – высоты мачт антенн.

Рис. 3. Определение дальности прямой видимости

В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. В каждой из них имеются свои особенности, определяющие воздействие на распространение радиоволн различных диапазонов. Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места.

Тропосферой называется приземный слой атмосферы, лежащей над экватором на высоте 16-18 км, в умеренных широтах на 10-12 км и в полярных областях – на 7-10 км. В области тропосферы температура воздуха с высотой убывает. Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности. Ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий. В тропосфере происходит искривление траектории земных радиоволн, называемое рефракцией. Распространение радиоволн в тропосфере возможно из-за рассеяния и отражения их от неоднородностей тропосферы.

Стратосфера простирается до высот 50-60 км. Стратосфера отличается от тропосферы существенно меньшей плотностью воздуха и законом распределения температуры по высоте: до высоты 30-35 км температура постоянна, а далее до высоты 60 км резко повышается. На распространение радиоволн стратосфера оказывает то же влияние, что и тропосфера, но оно проявляется в меньшей степени из-за малой плотности воздуха.

Ионосферой называется область атмосферы на высоте 60-10000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала, и воздух ионизирован, т.е. имеется большое число свободных электронов (примерно 10³-10⁶ электронов в 1 см³ воздуха). Наличие в верхних слоях атмосферы свободных электронов определяет электрические параметры ионизированного газа.

При распространении радиоволн в атмосфере имеют место следующие физические явления: поглощение, отражение, рассеяние, дифракция (огибание препятствий), преломление и искривление (рефракция), интерференция радиоволн.

Атмосфера может сильно поглощать волны с определенными длинами. Молекулы газов атмосферы ведут себя в поле электромагнитной волны как электрические диполи. А если диполь настроен в резонанс с частотой воздействующей на него волны, то он начинает интенсивно возбуждаться. Атомы в молекуле приходят в колебательное движение, а энергия волны, естественно, расходуется на возбуждение этих колебаний. Кислород интенсивно поглощает излучение с длинами волн около 0,5 см, а водяной пар – 1,35 см. На более коротких волнах находятся линии поглощения большинства атмосферных газов, и условия распространения этих волн весьма неблагоприятны. Зато для более длинных волн, сантиметровых, дециметровых и метровых, атмосфера практически прозрачна. Все эти диапазоны относят к ультракоротким волнам (УКВ). Даже сильный дождь поглощает лишь самые короткие сантиметровые волны, тогда как более длинные волны УКВ диапазона хорошо распространяются в любую погоду по касательной к земной поверхности.

Однако в тех случаях, когда на некоторой высоте над поверхностью Земли поверх сырого, холодного и тяжелого воздуха распространяется слой теплого воздуха и показатель преломления на границе этих двух слоев достигает ≈1,0003, это заставляет радиолуч слегка преломиться. А если изменение показателя преломления становится равным 1,000157 на км, то радиус кривизны радиолуча становится равным радиусу Земли и волна как бы огибает Землю. Явление преломления электромагнитных волн в атмосфере называется рефракцией. В УКВ диапазоне рефракция случается достаточно часто. Для ее возникновения достаточно даже легкого, росистого летнего утра.

Рис. 4. Поглощение сантиметровых и миллиметровых волн в атмосфере

Еще в первых опытах А.С. Попова и других изобретателей было установлено, что чем больше размеры антенн, тем больше и дальность связи за счет известного из оптики явления – дифракции – огибания волной препятствий.

Для сверхдлинных радиоволн, длина которых составляет несколько километров, выпуклость Земли при не слишком больших расстояниях уже не помеха. Например, при расстоянии между передатчиком и приемником 1000 км высота шарового сегмента составит около 20 км.

Однако радиоволны этого диапазона распространяются и на большее расстояние в 5... 10000 км, что уже нельзя объяснить дифракцией. Кроме того, было замечено, что дальность радиосвязи была заметно больше, чем днем.

Было доказано, что радиоволны отражаются от верхних слоев атмосферы из-за наличия там ионизированных газов (Рис. 5), причем существует несколько отражающих слоев: летним днем их не меньше четырех (Рис. 6).

Рис. 5. Пути распространения радиоволн

Ближе всего к поверхности Земли на высоте около 70 км расположен слой D. Это нерегулярное образование ионосферы существует только в дневные часы, когда велика интенсивность солнечного ионизирующего излучения.

На высотах 100... 120 км постоянно существует слой Е. В зависимости от времени суток и года изменяется лишь концентрация свободных электронов в этом слое. Ночью слой располагается несколько выше, а днем – ниже, что также связано с изменениями потока ионизирующего излучения.

Самый верхний слой, слой F, располагается на высотах 150... 350 км. Молекулы газов, составляющих атмосферу, там распадаются на отдельные атомы, которые под действием ионизирующего излучения немедленно теряют внешние, наиболее удаленные от ядра электроны и становятся положительно заряженными ионами. А потерянные ими электроны становятся свободными и с огромными скоростями летают в верхних слоях атмосферы, пока не столкнутся с каким-либо положительным ионом. Поскольку путь, проходимый любой частицей между двумя столкновениями очень велик, практически все атомы в самых верхних слоях ионосферы ионизированы.

Днем слой F распадается на два: F₁ и F₂. Слой F₁ расположенный ниже, обусловлен ионизацией молекулярного азота, а слой F₂ – ионизацией атомарного кислорода. Ночью слой F₁ исчезает, а слой F₂ сохраняется, хотя концентрация электронов в нем значительно уменьшается.

Способность ионосферы отражать радиоволны зависит и от угла падения волны на ионизированный слой. Если радиолуч послать вертикально вверх, то он может вернуться обратно, а может, пронизав ионосферу, безвозвратно исчезнуть в просторах космоса (Рис. 7). Все зависит от частоты электромагнитных колебаний: если она ниже некоторой критической частоты, то луч возвращается, если выше-то нет. Ученые показали, что критическая частота зависит только от концентрации электронов в слое.

Рис. 6. Ионосфера Земли

Радиолуч, посланный наклонно, отражается ионосферой лучше. Касательные к горизонту лучи обеспечивают наибольшую дальность связи. Частота колебаний касательного луча, еще отражающегося от ионосферы, выше критической частоты в 3-5 раз. Она называется максимальной применимой частотой или, сокращенно, МПЧ. Волны с частотами выше МПЧ, посланные с поверхности Земли, уже ни при каких условиях не могут вернуться обратно на Землю – недостаточно преломляясь в ионосфере, они уходят в космос.

Рис. 7. Путь радиоволн в ионосфере

С понижением частоты относительно МПЧ возрастает и поглощение радиоволн в ионосфере. Поэтому значительно понижать частоту тоже нельзя. Ввели понятие наинизшей применимой частоты (НПЧ). Где-то между МПЧ и НПЧ колеблется оптимальная для данной трассы частота, на которой только и гарантирована надежная связь. Часто радисты используют даже термины «ночные волны» (длиннее 25 м) и «дневные волны» (короче 25 м). То же повторяется и при смене сезонов года: зимой лучше приходят более длинные волны.

Основными свойствами земной поверхности, оказывающими влияние на распространение над ней электромагнитных волн, помимо её рельефа, являются её электрические параметры: электропроводность и диэлектрическая проницаемость. Влияние неровностей поверхности оказывается значительным, если их размеры сравнимы с длиной волны и превышают её. Например, горы влияют на распространение волн практически всех диапазонов, используемых в радиосвязи, тогда как волнение морской поверхности проявляется, если длина радиоволн составляет метры или меньше.

От электропроводности почвы зависят потери в ней энергии волн. Если бы верхний слой ее был идеально проводящим или идеальным диэлектриком, то потерь бы не было. В реальных условиях ЭМ поля индуктируют в почве токи, и при их протекании выделяется тепло. Следовательно, часть энергии радиоволн поглощается.