Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Радиоволны и ионосфера

На высоте более 60 км, в атмосфере, в результате поглощения энергии ультрафиолетового излучения Солнца и энергии быстролетящих космических частиц, воздух ионизирован (тонкий дневной слой ионосферы D и нижний слой ионосферы Е). На высоте 300 — 400 км и выше весь воздух состоит, в основном, из ионов — ионизированных атомов и свободных электронов (верхний слой F). Из-за слабой ионизации нижние слои D и Е больше поглощают радиоволны, чем преломляют — отражают их. Наибольшей преломляющей способностью обладает сильно ионизированный верхний слой F. Преломляющая способность ионизирующего слоя по вертикали и горизонтали неоднородна, и плавно изменяется, вызывая криволинейное распространение радиоволн в ионосфере. При некоторых условиях волны полностью отражаются от ионосферы и возвращаются на Землю. Если преломляющая способность ионосферы для данной частоты излучения недостаточна, волны, не отражаясь от нее, проходят в космос.

— Объясните подробнее, почему одни волны отражаются от ионосферы, а другие пронизывают ее? — требует Диодов.

— Способность радиоволн отражаться от ионосферы зависит от частоты радиопередатчика fn по отношению к так называемой максимально применимой частоте отражающего слоя fmax, определяемой концентрацией свободных электронов. Если частота передатчика меньше максимально применимой частоты (fn < fmax), волна отражается от ионосферы, если больше (fn > fmax) волна пронизывает ионосферу. Обычно средняя максимально применимая частота составляет 30 МГц (10 м). Волны большей частоты называются ультракороткими (УКВ). Отражение от ионосферы также зависит и от угла диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости. А сейчас познакомимся со свойствами радиоволн различных диапазонов.

Сверхдлинные волны (СДВ) (более 10 000 м) с диапазоном низких частот менее 30 кГц, и длинные волны (ДВ) от 10 до 1 км (300—30 кГц) обладают постоянством распространения и заметным поглощением при дальней связи. В результате дифракции эти волны обладают способностью огибать препятствия и земную поверхность. На расстояниях до 300 км они существуют только, как поверхностные, а на больших расстояниях, как поверхностные и пространственные.

— Вы хотите знать, чем отличаются поверхностные волны от пространственных?

Поверхностные волны распространяются вдоль земной поверхности, а пространственные — путем отражения от ионосферы. На расстояниях более 3000 км поверхностные волны этого диапазона полностью поглощаются (затухают). Высокая стабильность уровней сигналов позволяет применять длинные и сверхдлинные волны для навигации связи на море.

Средние (СВ или гектометровые волны) (1000 — 100 м) с частотами 300—3000 кГц широко используют в судовой связи и радионавигации. Днем они распространяются как поверхностные, а ночью как поверхностные и пространственные.

— Чем можно объяснить разницу в распространении средних волн в дневное и ночное время? — задает вопрос Диодов.

— Основным источником ионизации воздуха в верхних и нижних слоях ионосферы является Солнце. С заходом Солнца возникает деионизация, при которой атомы газа вновь захватывают электроны и становятся нейтральными, а ионизация соответственно уменьшается. Отражение средних волн от нижних слоев ионосферы днем не происходит из-за недостаточной ионизации слоя. К верхним, сильно ионизированным — отражающим слоям, волны не доходят. Ночью ионизация нижних слоев резко уменьшается, поглощение ослабевает, и средние волны, отражаясь от верхних слоев ионосферы, становятся пространственными, распространяясь на большие расстояния. В результате колебаний верхнего ионизирующего слоя, уровень сигналов при приеме пространственных волн подвержен замираниям (федингам), что затрудняет дальнюю связь на этих волнах. Степень ионизации ионосферы и условия распространения радиоволн зависят не только от времени суток, но и времени года, и колебаний солнечной активности.

Короткие волны (КВ) — декаметровые волны имеют диапазон частот от 3 до 30 МГц (100—10 м). Отражаясь от ионосферы и поверхности Земли, эти волны скачкообразно распространяются на большие расстояния вплоть до полного и даже неоднократного огибания планеты.

Скачкообразное распространение коротких волн иллюстрирует рис. 1. Заметим, что для отражения более длинных волн нужна меньшая плотность ионизации. При связи на коротких волнах важное значение имеет угол возвышения волны, определяемый диаграммой направленности антенны. При одной и той же частоте, но разных углах возвышения, волны могут перекрывать одно и то же расстояние одним или несколькими скачками, или даже уходить в космос (на рис. 1 кривая). Заметим, что связь при одном скачке радиоволн является более предпочтительной из-за меньших потерь при отражениях. Поверхностная волна, распространяющаяся вдоль Земли, может быть принята только на участке АВ.

Между скачками волн (точки CDE) с максимальным уровнем сигналов находятся зоны молчания. Поэтому на близких расстояниях связь на КВ нередко установить труднее, чем на дальних.

Ультракороткие волны (УКВ) используют для ближней связи и радионавигации, а в последнее время и для передачи телевизионных программ в пределах прямой видимости. Эти волны включают в себя следующие диапазоны: 1) метровые волны от 10 до 1 м (30—300 МГц); 2) дециметровые от 1 до 0,1 м (300—3000 МГц); 3) сантиметровые от 10 до 1 см (3—30 ГГц); 4) миллиметровые от 1 см до 0,1 мм (30—300 ГГц).

По своим свойствам УКВ приближаются к оптическим — световым волнам. Поэтому, не считая редких аномалий, распространяться за линию горизонта они не могут.

Некоторое увеличение дальности (до 15—20 %), благодаря небольшой дифракции, возможно в диапазоне метровых волн. Высокая частота излучения позволяет передавать большой объем информации в телевизионных и радиорелейных системах. Кроме того, малые длины волн облегчают создание остронаправленных малогабаритных судовых антенн, используемых не только для целей связи, но и радиолокации и радионавигации. Положительным свойством применения УКВ также является отсутствие атмосферных помех и замираний (федингов).

Н.В. СИДОРЕНКО В.В. СИДОРЕНКО - "Радиоволны над океаном"

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика