Распространение радиоволн (стр. 2 из 4)

Одновременно с исследованием ионосферы началось практическое освоение коротковолнового диапазона. В результате во второй половине 20-х годов для радиосвязи на большие расстояния широко стали применяться короткие волны, которые постепенно заменили длинные, оказавшиеся по целому ряду технических показателей менее выгодными, - узкий частотный диапазон, очень большие антенны с малым коэффициентом полезного действия, высокий уровень атмосферных помех и пр. Интерес к очень длинным (сверхдлинным) волнам снова возрос в 40-х годах в связи с применением их для радионавигации, а также для радиосвязи с подводными лодками. В СССР такая система была построена в начале 60-х годов в белорусских лесах. Она действует до сих пор. Заключен договор с Белоруссией об ее использовании до 2017 г. Система обеспечивает радиосвязь с подводными лодками, находящимися на расстоянии до 10000 км и на глубине до 200 м. Мощность излучаемого сигнала 1 МВт. Высота антенны 200 м. На антенну израсходовано 900 т проводов.

В связи с увеличивающимся объемом информации, передаваемой по каналам связи и появлением новых областей применения радиоволн (телевидение, радиолокация и др.) осваивались все более короткие волны, что видно из приведенного ниже графика.

Остановимся теперь на особенностях распространения радиоволн различных частот. В настоящее время в соответствии с Регламентом радиосвязи радиоволны подразделяются на 9 диапазонов, как показано в приведенной ниже таблице.

Приведенную классификацию можно сопоставить с широко используемой в радиовещании и радиосвязи. Мириаметровым соответствуют сверхдлинные волны (СДВ), километровым – длинные (ДВ), гектометровым – средние (СВ), метровым – короткие (КВ), дециметровым – ультракороткие (УКВ), и все остальным – сверхвысокочастотные (СВЧ).

3. Общие свойства радиоволн.

Распространение радиоволн в земном пространстве зависит от свойств поверхности земли и свойств атмосферы. Условия распространения радиоволн вдоль поверхности земли в значительной мере зависят от рельефа местности, электрических параметров земной поверхности и длины волны. Подобно другим волнам радиоволнам свойственна дифракция, т.е. явление огибания препятствий. Наиболее сильно дифракция сказывается в случае, когда геометрические размеры препятствий соизмеримы с длиной волны. Радиоволны, распространяющиеся у поверхности земли и частично за счет дифракции огибающие выпуклость земного шара, называются земными, или поверхностнымирадиоволнами.

Атмосферу земли нельзя считать однородной средой. Давление, плотность, влажность, диэлектрическая проницаемость и другие параметры в разных объемах воздушного слоя имеют различные значения. По этим причинам скорости распространения в различных объемах неодинаковы и зависят от длины волны. Траектория радиоволн в атмосфере искривляется. Явление искривления или преломления волн при распространении их в неоднородной среде получило название рефракции. Радиоволны, распространяющиеся на большой высоте в атмосфере и возвращающиеся на землю вследствие искривления траектории, рассеяния или отражения от атмосферных неоднородностей, называются пространственными, или ионосферными.

В точку приема могут приходить как пространственная, так и земная волны от одного и того же источника. Если фазы колебаний этих волн совпадают, то амплитуда суммарного поля возрастает, и наоборот - при сдвиге фазы волн на 180° суммарное поле ослабляется и может стать равным нулю. Указанное явление взаимодействия волн называется интерференцией.

4. Распространение поверхностных (земных) радиоволн

Распространение поверхностных радиоволн определяется двумя факторами: дифракцией и влиянием земной поверхности.

Как известно, воздух не вызывает ослабления радиоволн практически во всех диапазонах частот и, казалось бы, поэтому земная волна должна распространяться без поглощения. Однако это верно лишь в том случае, если земная волна проходит высоко над поверхностью земли. Если же радиоволны проходят вблизи от поверхности земли, то на их распространении сказываются свойства земной поверхности.

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.