Диапазон радиоволн и их распространение. Радиочастотный диапазон и его использование для радиосвязи

Распространение радиоволн, процессы распространения электромагнитных волн радиодиапазона в атмосфере, космическом пространстве и толще Земли. Радиоволны , излучаемые передатчиком, прежде чем попасть в приёмник, проходят путь, который может быть сложным. Радиоволны могут достигать пункта приёма, распространяясь по прямолинейным траекториям, огибая выпуклую поверхность Земли, отражаясь от ионосферы, и т. д. Способы Р. р. существенно зависят от длины волны l, от освещённости земной атмосферы Солнцем и от ряда др. факторов (см. ниже).

Прямые волны. В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно с постоянной скоростью, подобно световым лучам (радиолучи). Такое Р. р. называется свободным. Условия Р. р. в космическом пространстве при радиосвязи между наземной станцией и космическим объектом, между двумя космическими объектами, при радиоастрономических наблюдениях, при радиосвязи наземной станции с самолётом или между самолётами близки к свободному.

Волну, излученную антенной, на больших расстояниях от неё можно считать плоской (см. Излучение и приём радиоволн ). Плотность потока электромагнитной энергии, пропорциональная квадрату напряжённости поля волны, убывает с увеличением расстояния r от источника обратно пропорционально r 2, что приводит к ограничению расстояния, на котором может быть принят сигнал передающей станции. Дальность действия радиостанции (при отсутствии поглощения) равна: , где P c - мощность сигнала на входе приёмника, Р ш - мощность шумов, G1, G2 - коэффициенты направленного действия передающей и приёмной антенн. Скорость Р. р. в свободном пространстве равна скорости света в вакууме : с = км /сек.

При распространении волны в материальной среде (например, в земной атмосфере, в толще Земли, в морской воде и т. п.) происходят изменение её фазовой скорости и поглощение энергии. Это объясняется возбуждением колебаний электронов и ионов в атомах и молекулах среды под действием электрического поля волны и переизлучением ими вторичных волн. Если напряжённость поля волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на электрон в атоме, то колебания электрона под действием поля волны происходят по гармоническому закону с частотой пришедшей волны. Поэтому электроны излучают радиоволны той же частоты, но с разными амплитудами и фазами. Сдвиг фаз между первичной и переизлучённой волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами являются причиной поглощения радиоволн. Поглощение и изменение фазовой скорости в среде характеризуются показателем поглощения c и показателем преломления n , которые, в свою очередь, зависят от диэлектрической проницаемости e и проводимости s среды, а также от длины волны l:

(1)

Коэффициент поглощения b = 2pc/l, фазовая скорость u = c /n . В этом случае r д определяется не только характеристиками передатчика, приёмника и длиной волны, но и свойствами среды (e, s). В земных условиях Р. р. обычно отличается от свободного. На Р. р. оказывают влияние поверхность Земли, земная атмосфера, структура ионосферы и т. д. Влияние тех или иных факторов зависит от длины волны.

Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн зависит от расположения радиотрассы относительно её поверхности.

Р. р. - пространственный процесс, захватывающий большую область. Но наиболее существенную роль в этом процессе играет часть пространства, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах которого А и В расположены передатчик и приёмник (рис. 1 ). Большая ось эллипсоида практически равна расстоянию R между передатчиком и приёмником, а малая ось ~. Чем меньше l, тем уже эллипсоид, в оптическом диапазоне он вырождается в прямую линию (световой луч). Если высоты Z1 и Z2 , на которых расположены антенны передатчика и приёмника относительно поверхности Земли, велики по сравнению с l, то эллипсоид не касается поверхности Земли (рис. 1 , а). Поверхность Земли не оказывает в этом случае влияния на Р. р. (свободное распространение). При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы эллипсоид коснётся поверхности Земли (рис. 1 , б) и на прямую волну, идущую от передатчика к приёмнику, належится поле отражённой волны. Если при Z1 >> l и Z2 >> l, то это поле можно рассматривать как луч, отражённый земной поверхностью по законам геометрической оптики. Поле в точке приёма определяется интерференцией прямого и отражённого лучей. Интерференционные максимумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля (рис. 2 ). Условие Z1 и Z2 >> l практически может выполняться только для метровых и более коротких волн, поэтому лепестковая структура поля характерна для ультракоротких волн (УКВ).

При увеличении l существенная область расширяется и пересекает поверхность Земли. В этом случае уже нельзя представлять волновое поле как результат интерференции прямой и отражённой волн. Влияние Земли на Р. р. в этом случае обусловлено несколькими факторами: земля обладает значительной электропроводностью , поэтому Р. р. вдоль поверхности Земли приводит к тепловым потерям и ослаблению волны. Потери энергии в земле увеличиваются с уменьшением l.

Помимо ослабления, происходит также изменение структуры поля волны. Если антенна у поверхности Земли излучает поперечную линейно-поляризованную волну (см. Поляризация волн ), у которой напряжённость электрического поля Е перпендикулярна поверхности Земли, то на больших расстояниях от излучателя волна становится эллиптически поляризованной (рис. 3 ). Величина горизонтальной компоненты E x значительно меньше вертикальной E z и убывает с увеличением проводимости s земной поверхности. Возникновение горизонтальной компоненты позволяет вести приём земных волн на т. н. земные антенны (2 проводника, расположенные на поверхности Земли или на небольшой высоте). Если антенна излучает горизонтально-поляризованную волну (Е параллельно поверхности Земли), то поверхность Земли ослабляет поле тем больше, чем больше s, и создаёт вертикальную составляющую. Уже на небольших расстояниях от горизонтального излучателя вертикальная компонента поля становится больше горизонтальной. При распространении вдоль Земли фазовая скорость земных волн меняется с расстоянием, однако уже на расстоянии ~ нескольких l от излучателя она становится равной скорости света, независимо от электрических свойств почвы.

Выпуклость Земли является своеобразным «препятствием» на пути радиоволн, которые, дифрагируя, огибают Землю и проникают в «область тени». Т. к. дифракция волн заметно проявляется тогда, когда размеры препятствия соизмеримы или меньше l, а размер выпуклости Земли можно охарактеризовать высотой шарового сегмента h (рис. 4 ), отсекаемого плоскостью, которая проходит через хорду, соединяющую точки расположения приёмника и передатчика (см. табл.), то условие h << l выполняется для метровых и более длинных волн. Если учесть, что с уменьшением l увеличиваются потери энергии в Земле, то практически только километровые и более длинные волны могут проникать глубоко в область тени (рис. 5 ).

Высота шарового сегмента h для различных расстояний между передатчиком и приёмником

Земная поверхность неоднородна, наиболее существенное влияние на Р. р. оказывают электрические свойства участков трассы, примыкающих к передатчику и приёмнику. Если радиотрасса пересекает линию берега, т. е. проходит над сушей, а затем над морем (s ® ¥) , то при пересечении береговой линии резко изменится напряжённость поля (рис. 6 ), т. е. амплитуда и направление распространения волны (береговая рефракция). Однако береговая рефракция является местным возмущением поля радиоволны, уменьшающимся по мере удаления от береговой линии.

Рельеф земной поверхности также влияет на Р. р. Это влияние зависит от соотношения между высотой неровностей поверхности h , горизонтальной протяжённостью l , l и углом падения q волны на поверхность (рис. 7 ). Если выполняются условия:

4p2l 2 sin2q/l2 £ 1; 2psin q << 1, (2)

то неровности считаются малыми и пологими. В этом случае они мало влияют на Р. р. При увеличении q условия (2) могут нарушаться. При этом энергия волны рассеивается, и напряжённость поля в направлении отражённого луча уменьшается (возникают диффузные отражения).

Высокие холмы, горы и т. п., кроме того, сильно «возмущают» поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению волны из-за интерференции прямых и отражённых от поверхности Земли волн (рис. 8 ).

Распространение радиоволн в тропосфере. Рефракция радиоволн. Земные радиоволны распространяются вдоль поверхности Земли в тропосфере . Проводимость тропосферы s для частот, соответствующих радиоволнам (за исключением миллиметровых волн), практически равна 0; диэлектрическая проницаемость e и, следовательно, показатель преломления n являются функциями давления и температуры воздуха, а также давления водяного пара. У поверхности Земли n » 1,0003. Изменение e и n с высотой зависит от метеорологических условий. Обычно e и n уменьшаются, а фазовая скорость u растет с высотой. Это приводит к искривлению радиолучей (рефракция радиоволн, рис. 9 ). Если в тропосфере под углом к горизонту распространяется волна, фронт которой совпадает с прямой ав (рис. 9 ), то вследствие того, что в верхних слоях тропосферы волна распространяется с большей скоростью, чем в нижних, верхняя часть фронта волны обгоняет нижнюю и фронт волны поворачивается (луч искривляется). Т. к. n с высотой убывает, то радиолучи отклоняются к Земле. Это явление, называется нормальной тропосферной рефракцией, способствует Р. р. за пределы прямой видимости, т. к. за счёт рефракции волны могут огибать выпуклость Земли. Однако практически этот эффект может играть роль только для УКВ, поскольку для более длинных волн преобладает огибание в результате дифракции. Метеорологические условия могут ослаблять или усиливать рефракцию по сравнению с нормальной.

Тропосферный волновод. При некоторых условиях (например, при движении нагретого воздуха с суши над поверхностью моря) температура воздуха с высотой не уменьшается, а увеличивается (инверсии температуры). При этом преломление в тропосфере может стать столь сильным, что вышедшая под небольшим углом к горизонту волна на некоторой высоте изменит направление на обратное и вернётся к Земле. В пространстве, ограниченном снизу Землёй, а сверху как бы отражающим слоем тропосферы, волна может распространяться на очень большие расстояния (волноводное распространение радиоволн). Так же как в металлических радиоволноводах , в тропосферных волноводах могут распространяться волны, длина которых меньше критической (lкр » 0,085 d 3/2 , d - высота волновода в м , lкр в см ). Толщина слоев инверсии в тропосфере обычно не превышает ~ 50-100 м , поэтому волноводным способом могут распространяться только дециметровые, сантиметровые и более короткие волны.

Рассеяние на флуктуациях e. Помимо регулярных изменений e с высотой, в тропосфере существуют нерегулярные неоднородности (флуктуации) e, возникающие в результате беспорядочного движения воздуха. На них происходит рассеяние радиоволн УКВ диапазона. Т. о., область пространства, ограниченная диаграммами направленности приёмной и передающей антенн и содержащая большое число неоднородностей e, является рассеивающим объёмом. Рассеяние приводит к флуктуациям амплитуды и фазы радиоволны, а также к распространению УКВ на расстояния, значительно превышающие прямую видимость (рис. 10 ). При этом поле в точке приёма В образуется в результате интерференции рассеянных волн. Вследствие интерференции большого числа рассеянных волн возникают беспорядочные изменения амплитуды и фазы сигнала. Однако среднее значение амплитуды сигнала значительно превышает амплитуду, которая могла бы быть обусловлена нормальной тропосферной рефракцией.

Поглощение радиоволн. Тропосфера прозрачна для всех радиоволн вплоть до сантиметровых. Более короткие волны испытывают заметное ослабление в капельных образованиях (дождь, град, снег, туман), в парах воды и газах атмосферы. Ослабление обусловлено процессами поглощения и рассеяния. Каждая капля воды обладает значительной проводимостью и волна возбуждает в ней высокочастотные токи. Плотность токов пропорциональна частоте, поэтому значительные токи, а следовательно, и тепловые потери, возникают только при распространении сантиметровых и более коротких волн. Эти токи вызывают не только тепловые потери, но являются источниками вторичного рассеянного излучения, ослабляющего прямой сигнал. Плотность потока рассеянной энергии обратно пропорциональна l4, если размер рассеивающей частицы d < l, и не зависит от l, если d >> l (см. Рассеяние света ). Практически через область сильного дождя или тумана волны с l < 3 см распространяться не могут. Волны короче 1,5 см , помимо этого, испытывают резонансное поглощение в водяных парах (l = 1,5 см ; 1,35 см ; 0,75 см ; 0,5 см ; 0,25 см ) и кислороде (l = 0,5 см и 0,25 см ). Энергия распространяющейся волны расходуется в этом случае на ионизацию или возбуждение атомов и молекул. Между резонансными линиями имеются области малого поглощения.

Распространение радиоволн в ионосфере. В ионосфере - многокомпонентной плазме , находящейся в магнитном поле Земли, механизм Р. р. сложнее, чем в тропосфере. Под действием радиоволны в ионосфере могут возникать как вынужденные колебания электронов и ионов, так и различные виды коллективных собственных колебаний (плазменные колебания). В зависимости от частоты радиоволны w основную роль играют те или другие из них и поэтому электрические свойства ионосферы различны для различных диапазонов радиоволн. При высокой частоте w в Р. р. принимают участие только электроны, собственная частота колебаний которых (Ленгмюровская частота) равна:

(3)

где е - заряд, m - масса, N - концентрация электронов. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы, в отличие от электронов тропосферы, тесно связанных с атомами, отстают от электрического поля высокочастотной волны по фазе почти на 2p. Такое смещение электронов усиливает поле Е волны в ионосфере (рис. 11 ). Поэтому диэлектрическая проницаемость e, равная отношению напряжённости внешнего поля к напряжённости поля внутри среды, оказывается для ионосферы < 1: e = 1 - w20/w2. Учёт столкновений электронов с атомами и ионами даёт более точные формулы для e и s ионосферы:

, (4)

где n - число столкновений в секунду.

Для высоких частот, начиная с коротких волн, в большей части ионосферы справедливо соотношение: w2 >> n2 и показатели преломления n и поглощения c равны:

; (5)

С увеличением частоты c уменьшается, а n растет, приближаясь к 1. Т. к. n < 1, фазовая скорость распространения волны . Скорость распространения энергии (групповая скорость волны) в ионосфере равна с ×n и в соответствии с относительности теорией меньше с.

Отражение радиоволн. Для волны, у которой w < w0n и u становятся мнимыми величинами, это означает, что такая волна не может распространяться в ионосфере. Поскольку концентрация электронов N и плазменная частота w0 в ионосфере увеличиваются с высотой (рис. 12 ), то падающая волна, проникая в ионосферу, распространяется до такого уровня, при котором показатель преломления обращается в нуль. На этой высоте происходит полное отражение волны от слоя ионосферы. С увеличением частоты падающая волна всё глубже проникает в слой ионосферы. Максимальная частота волны, которая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, называется критической частотой слоя:

(6)

Критическая частота слоя F 2 (главный максимум, рис. 12 ) изменяется в течение суток и от года к году приблизительно от 5 до 10 Мгц. Для волн с частотой w > wкр n всюду > 0, т. е. волна проходит через слой, не отражаясь.

При наклонном падении волны на ионосферу максимальная частота волны, возвращающейся на Землю, оказывается выше wкр. Радиоволна, падающая на ионосферу под углом j0, испытывая рефракцию, поворачивается к Земле на той высоте, где j(z ) = p/2. Условие отражения при наклонном падении имеет вид: n (z ) = sinj0. Частоты волн, отражающихся от данной высоты при наклонном и вертикальном падении, связаны соотношением: wнакл = wверт secj0. Максимальная частота волны, отражающейся от ионосферы при данном угле падения, т. е. для данной длины трассы, называется максимальной применимой частотой (МПЧ).

Двойное лучепреломление. Существенное влияние на Р. р. оказывает магнитное поле Земли H 0 = 0,5 э, пронизывающее ионосферу. В постоянном магнитном поле ионизированный газ становится анизотропной средой. Попадающая в ионосферу волна испытывает двойное лучепреломление , т. е. расщепляется на 2 волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. В магнитном поле H 0 на электрон, движущийся со скоростью u, действует Лоренца сила , под действием которой электрон вращается с частотой (гироскопическая частота) вокруг силовых линий магнитного поля. Вследствие этого изменяется характер вынужденных колебаний электронов ионосферы под действием электрического поля волны.

В простейшем случае, когда направление Р. р. перпендикулярно H 0 (Е лежит в одной плоскости с H 0), волну можно представить в виде суммы 2 волн с Е ^ Н 0 и Е || Н 0. Для первой волны (необыкновенной) характер движения электронов и, следовательно, n изменяются, для второй (обыкновенной) они остаются такими же, как и в отсутствии магнитного поля:

; (7)

В случае произвольного направления Р. р. относительно магнитного поля Земли формулы более сложные: как n 1, так и n 2 зависят от wH. Поскольку отражение радиоволны происходит от слоя, где n = 0, то обыкновенная и необыкновенная волны отражаются на разной высоте. Критические частоты для них также различны.

По мере Р. р. в ионосфере из-за различия в скорости накапливается сдвиг фаз между волнами, вследствие чего поляризация результирующей волны непрерывно изменяется. Линейная поляризация падающей волны в определённых условиях сохраняется, но плоскость поляризации при распространении поворачивается (см. Вращение плоскости поляризации ). В общем случае поляризация обеих волн эллиптическая.

Рассеяние радиоволн. Помимо регулярной зависимости электронной концентрации N от высоты (рис. 12 ), в ионосфере постоянно происходят случайные изменения концентрации. Ионосферный слой содержит большое число неоднородных образований различного размера, которые находятся в постоянном движении и изменении, рассасываясь и возникая вновь. Вследствие этого в точку приёма, кроме основного отражённого сигнала, приходит множество рассеянных волн (рис. 13 ), сложение которых приводит к замираниям - хаотическим изменениям сигнала.

Существование неоднородных образований приводит к возможности рассеянного отражения радиоволн при частотах, значительно превышающих максимальные частоты отражения от регулярной ионосферы. Аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы это явление обусловливает дальнее Р. р. (метрового диапазона).

Характерные неоднородные образования возникают в ионосфере при вторжении в неё метеоритов . Испускаемые раскалённым метеоритом электроны ионизируют окружающую среду, образуя за летящим метеоритом след, диаметр которого вследствие молекулярной диффузии быстро возрастает. Ионизированные следы создаются в интервале высот 80-120 км , длительность их существования колеблется от 0,1 до 100 сек. Радиоволны зеркально отражаются от метеорного следа. Эффективность этого процесса зависит от массы метеорита.

Нелинейные эффекты. Для сигналов не очень большой мощности две радиоволны распространяются через одну и ту же область ионосферы независимо друг от друга (см. Суперпозиции принцип ), ионосфера является линейной средой. Для мощных радиоволн, когда поле Е волны сравнимо с характерным «плазменным полем» E p ионосферы, e и s начинают зависеть от напряжённости поля распространяющейся волны. Нарушается линейная связь между электрическим током и полем Е.

Нелинейность ионосферы может проявляться в виде перекрёстной модуляции 2 сигналов (Люксембург - Горьковский эффект ) и в «самовоздействии» мощной волны, например в изменении глубины модуляции сигнала, отражённого от ионосферы.

Особенности распространения радиоволн различного диапазона в ионосфере. Начиная с УКВ волны, частота которых выше максимально применимой частоты (МПЧ), проходят через ионосферу. Волны, частота которых ниже МПЧ, отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю. Такие радиоволны называются ионосферными, используются для дальней радиосвязи на Земле. Диапазон ионосферных волн снизу по частоте ограничен поглощением. Поэтому связь при помощи ионосферных волн осуществляется в диапазоне коротких волн и в ночные часы (уменьшается поглощение) в диапазоне средних волн. Дальность Р. р. при одном отражении от ионосферы ~ 3500-4000 км , т. к. угол падения j на ионосферу из-за выпуклости Земли ограничен: наиболее пологий луч касается поверхности Земли (рис. 14 ). Связь на большие расстояния осуществляется за счёт нескольких отражений от ионосферы (рис. 15 ).

Длинные и сверхдлинные волны практически не проникают в ионосферу, отражаясь от её нижней границы, которая является как бы стенкой сферического радиоволновода (второй стенкой волновода служит Земля). Волны, излучаемые антенной в некоторой точке Земли, огибают её по всем направлениям, сходятся на противоположной стороне. Сложение волн вызывает некоторое увеличение напряжённости поля в противолежащей точке (эффект антипода , рис. 16 ).

Радиоволны звуковых частот могут просачиваться через ионосферу вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Распространяясь вдоль магнитной силовой линии, волна уходит на расстояние, равное нескольким земным радиусам, и затем возвращается в сопряжённую точку, расположенную в др. полушарии (рис. 17 ). Разряды молний в тропосфере являются источником таких волн. Распространяясь описанным способом, они создают на входе приёмника сигнал с характерным свистом (свистящие атмосферики ).

Для радиоволн инфразвуковых частот, частота которых меньше гироскопической частоты ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая нейтральная жидкость, движение которой описывается уравнениями гидродинамики . Благодаря наличию магнитного поля Земли любое смещение проводящего вещества, создающее электрический ток, сопровождается возникновением сил Лоренца, изменяющих состояние движения. Взаимодействие между механическими и электромагнитными силами приводит к перемещению случайно возникшего движения в ионизированном газе вдоль магнитных силовых линий, т. е. к появлению магнито-гидродинамических (альфвеновских) волн, которые распространяются вдоль магнитных силовых линий со скоростью 4,5×104 м /сек (r - плотность ионизированного газа).

Космическая радиосвязь. Когда один из корреспондентов находится на Земле, диапазон длин волн, пригодных для связи с космическим объектом, определяется условиями прохождения через атмосферу Земли. Т. к. радиоволны, частота которых < МПЧ (5-30 Мгц ), не проходят через ионосферу, а волны с частотой > 6-10 Ггц поглощаются в тропосфере, то волны от космического объекта могут приниматься на Земле при частотах от ~ 30 Мгц до 10 Ггц. Однако и в этом диапазоне атмосфера Земли не полностью прозрачна для радиоволн. Вращение плоскости поляризации при прохождении через ионосферу при приёме на обычную антенну приводит к потерям, которые уменьшаются с ростом частоты. Только при частотах > 3 Ггц ими можно пренебречь (рис. 18 ). Эти условия определяют диапазон радиоволн для дальней связи на УКВ при использовании спутников.

Для связи с объектами, находящимися на др. планетах, необходимо учитывать поглощение и в атмосфере этих планет. При осуществлении связи между 2 космическими кораблями, находящимися вне атмосферы планет, особенное значение приобретают миллиметровые и световые волны, обеспечивающие наибольшую ёмкость каналов связи (см. Оптическая связь ). Сведения о процессах Р. р. в космическом пространстве даёт радиоастрономия .

Подземная и подводная радиосвязь. Земная кора, а также воды морей и океанов обладают проводимостью и сильно поглощают радиоволны. Для осадочных пород в поверхностном слое земной коры s » 10-3-10-2 ом -1м -1. В этих средах волна практически затухает на расстоянии £ l. Кроме того, для сред с большой s коэффициент поглощения увеличивается с ростом частоты. Поэтому для подземной радиосвязи используются в основном длинные и сверхдлинные волны. В подводной связи наряду со сверхдлинными волнами используют волны оптического диапазона.

В системах связи между подземными или подводными пунктами может быть использовано частичное распространение вдоль поверхности Земли или моря. Вертикально поляризованная волна, возбуждаемая подземной передающей антенной, распространяется до поверхности Земли, преломляется на границе раздела между Землёй и атмосферой, распространяется вдоль земной поверхности и затем принимается подземной приёмной антенной (рис. 19 ). Глубина погружения антенн достигает десятков м. Системы этого типа обеспечивают дальность до нескольких сотен км и применяются, например, для связи между подземными пунктами управления при запуске ракет. Системы др. типа используют подземные волноводы - слои земной коры, обладающие малой проводимостью и, следовательно, малыми потерями. К таким породам относятся каменная соль , поташ и др. Эти породы залегают на глубинах до сотен м и обеспечивают дальность Р. р. до нескольких десятков км. Дальнейшим развитием этого направления является использование твёрдых горных пород (гранитов, гнейсов, базальтов и др.), расположенных на больших глубинах и имеющих малую проводимость (рис. 20 ). На глубине 3-7 км s может уменьшиться до 10-11 ом -1м -1. При дальнейшем увеличении глубины благодаря возрастанию температуры создаётся ионизация (обращенная ионосфера) и проводимость увеличивается. Образуется подземный волновод толщиной в несколько км , в котором возможно Р. р. на расстоянии до нескольких тыс. км. Одна из основных проблем подземной и подводной связи - расчёт излучения и передачи энергии от антенн , расположенных в проводящей среде.

Преимущество систем подземной связи состоит в их независимости от бурь, ураганов и искусственных разрушений на поверхности Земли. Кроме того, благодаря экранирующему действию верхних проводящих осадочных пород системы подземной связи обладают высокой помехозащищенностью от промышленных и атмосферных шумов.

Лит.: , Распространение радиоволн вдоль земной поверхности, М., 1961; , Распространение электромагнитных волн и ионосфера, М., 1972; , Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере, М., 1973; , Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973; , Распространение волн в турбулентной атмосфере, М., 1967; , Распространение волн в среде со случайными неоднородностями, М., 1958; , Распространение электромагнитных волн в плазме, М., 1967; , Обзор работ, связанных с подземным распространением радиоволн. Проблемы дифракции и распространения радиоволн, Сб. 5, Л., 1966; , Распространение радиоволн, 4 изд., М., 1972; , Системы подземной радиосвязи, «Зарубежная радиоэлектроника», 1963, № 10; Габиллард [Р.], Дегок [П.], Уэйт [Дж.], Радиосвязь между подземными и подводными пунктами, там же, 1972, № 12; Ратклифф Дж. А., Магнито-ионная теория и ее приложения к ионосфере, пер. с англ., М., 1962.

Рис. 3. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 1. Область, существенная при распространении радиоволн: А - передающая антенна; В - приёмная; Z1 и Z2 - их высоты над поверхностью Земли.

Рис. 2. Лепестковая структура поля в точке приёма.

Рис. 4. Высота шарового сегмента h, характеризующая выпуклость Земли.

Рис. 5. График изменения напряжённости поля с расстоянием r (в км ). По вертикальной оси отложена величина множителя ослабления, который определяется отношением напряжённости поля в реальных условиях распространения к величине напряжённости поля при распространении в свободном пространстве.

Рис. 6. Изменение напряженности Е поля волны при пересечении береговой линии.

Рис. 7. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 8. Усиление радиоволн при дифракции на непологих неровностях.

Рис. 9. Искривление радиолучей в тропосфере в результате ее неоднородности.

Рис. 10. Схематическое изображение линии радиосвязи, использующей рассеяние радиоволн на неоднородностях тропосферы.

Рис. 11. Смещение электронов ионосферы под действием поля волны Е приводит к появлению дополнительного поля DE.

Рис. 12. Изменение концентрации N электронов в ионосфере с высотой; Е, F1, F2 - слои ионосферы.

Рис. 13. Рассеяние радиоволн на неоднородностях ионосферы.

Рис. 14. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 15. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 16. Зависимость напряженности Е поля волны от расстояния до передатчика r в отсутствии поглощения (пунктир) и при учете поглощения.

Рис. 17. к ст. Распространение радиоволн.

Рис. 18. Зависимость потерь энергии за счет вращения плоскости поляризации волны от частоты для трех значений угла возвышения b.

Рис. 19. Система подземной связи с частичным распространением радиоволн вдоль земной поверхности. Вторичные волны изображены условно.

Радиочастотный диапазон и его использование для радиосвязи

2.1 Основы распространения радиоволн

Радиосвязь обеспечивает передачу информации на расстояние с помощью электромагнитных волн (радиоволн).

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т. п.).

Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.

Рис. 2.1 Структура электромагнитной волны.

Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей.

Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1Гц – это одно колебание в секунду, 1 МегаГерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны.

Длина волны (в метрах) рассчитывается по формуле:

, или примерно

где f – частота электромагнитного излучения в МГц.

Из формулы видно, что, например, частоте 1 МГц соответствует длина волны около 300 м. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением – увеличивается.

Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от поверхности. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации.

Еще одним полезным свойством электромагнитных волн (впрочем, как и всяких других волн) является их способность огибать тела на своем пути. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры тела меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить – вспомните «Stealth».

Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него, т.е. поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него.

Например, поток энергии электромагнитного излучения Солнца на поверхность Земли достигает 1 киловатта на квадратный метр, а поток энергии средневолновой вещательной радиостанции – всего тысячные и даже миллионные доли ватта на квадратный метр.

2.2 Распределение спектра радиочастот

Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимают спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0,1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой.

Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются.

Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты. Реально для целей радиосвязи используются колебания в частотном диапазон от 10 кГц до 100 ГГц. Использование для связи того или иного интервала частот зависит от многих факторов, в частности от условий распространения радиоволн разных диапазонов, требуемой дальности связи, реализуемости величин мощностей передатчиков в выбранном интервале частот и др.

Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны (табл. 1):

Таблица 1

Рис. 2.2 Пример распределения спектра между различными службами.

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).

Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну.

Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи.

Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.

Еще в 1902году английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой.

Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923 году. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения.

2.3 Влияние атмосферы на распространение радиоволн

Характер распространения радиоволн зависит от длины волны, кривизны Земли, почвы, состава атмосферы, времени суток и года, состояния ионосферы, магнитного поля Земли, метеорологических условий.

Рассмотрим строение атмосферы, оказывающей существенное влияние на распространение радиоволн. В зависимости от времени суток и года изменяются содержание влаги и плотность воздуха.

Воздух, окружающий земную поверхность, образует атмосферу, высота которой составляет приблизительно 1000-2000 км. Состав земной атмосферы неоднороден.

Рис. 2.3 Строение атмосферы.

Слои атмосферы высотой примерно до 100-130 км по своему составу однородны. В этих слоях имеется воздух, содержащий (по объему) 78% азота и 21% кислорода. Нижний слой атмосферы толщиной 10-15 км (рис. 2.3) называется тропосферой . В этом слое имеются водяные пары, содержание которых резко колеблется с изменением метеорологических условий.

Тропосфера постепенно переходит в стратосферу . Границей считается высота, на которой прекращается падение температуры.

На высотах примерно от 60 км и выше над Землей под влиянием солнечных и космических лучей в атмосфере происходит ионизация воздуха: часть атомов распадается на свободные электроны и ионы . В верхних слоях атмосферы ионизация незначительна, так как газ очень разрежен (имеется небольшое число молекул в единице объема). По мере того как солнечные лучи проникают в более плотные слои атмосферы, степень ионизации увеличивается. С приближением к Земле энергия солнечных лучей падает, и степень ионизации опять уменьшается. Кроме того, в нижних слоях атмосферы вследствие большой плотности отрицательные заряды долго существовать не могут; происходит процесс восстановления нейтральных молекул.

Ионизация в разреженной атмосфере на высотах 60-80 км от Земли и выше сохраняется в течение длительного времени. На этих высотах атмосфера очень разрежена, плотность свободных электронов и ионов настолько низкая, что столкновение, а отсюда и восстановление нейтральных атомов происходит относительно редко.

Верхний слой атмосферы называется ионосферой. Ионизированный воздух оказывает существенное влияние на распространение радиоволн.

Днем образуется четыре регулярных слоя или максимума ионизации ‒ слои D , Е , F 1 и F 2 . Наибольшую ионизацию (наибольшее число свободных электронов в единице объема) имеет слой F 2 .

После захода Солнца ионизирующее излучение резко падает. Происходит восстановление нейтральных молекул и атомов, что приводит к уменьшению степени ионизации. Ночью полностью исчезают слои D и F 2 , ионизация слоя Е значительно уменьшается, а слой F 2 сохраняет ионизацию с некоторым ослаблением.

Рис. 2.4 Зависимость распространения радиоволн от частоты и времени суток.

Высота слоев ионосферы все время меняется в зависимости от интенсивности солнечных лучей. Днем высота ионизированных слоев меньше, ночью больше. Летом в наших широтах электронная концентрация ионизированных слоев больше, чем зимой (за исключением слоя F 2). Степень ионизации зависит также и от уровня солнечной активности, определяемой количеством пятен на Солнце. Период солнечной активности равен примерно 11 годам.

В полярных широтах наблюдаются нерегулярные процессы ионизации, связанные с так называемыми ионосферными возмущениями.

Имеется несколько путей, по которым радиоволна приходит к приемной антенне. Как уже отмечалось, радиоволны, распространяющиеся над поверхностью земли и огибающие ее вследствие явления дифракции, называются поверхностными или земными волнами (направление 1, рис. 2.5). Волны, распространяющиеся по направлениям 2 и 3, называются пространственными . Они делятся на ионосферные и тропосферные. Последние наблюдаются только в диапазоне УКВ. Ионосферными называются волны, отраженные или рассеянные ионосферой, тропосферными ‒ волны, отраженные или рассеянные неоднородными слоями или «зернами» тропосферы.

Рис. 2.5 Пути распространения радиоволн.

Поверхностная волна основанием своего фронта касается Земли, как показано на рис. 2.6. Эта волна при точечном источнике всегда имеет вертикальную поляризацию, так как горизонтальная составляющая волны поглощается Землей. При достаточном удалении от источника, выраженном в длинах волн, любой отрезок фронта волны является плоской волной.

Поверхность Земли поглощает часть энергии распространяющихся вдоль нее поверхностных волн, поскольку Земля имеет активное сопротивление.

Рис. 2.6 Распространение поверхностных волн.

Чем короче волна, т.е. чем больше частота, тем больший ток индуцируется в Земле и тем больше потери. Потери в Земле уменьшаются с увеличением проводимости почвы, так как волны проникают в Землю тем меньше, чем выше проводимость почвы. В Земле происходят и диэлектрические потери, которые также увеличиваются с укорочением волны.

Для частот выше 1 МГц поверхностная волна фактически сильно затухает из-за поглощения Землей и поэтому не используется, за исключением местной зоны действия. У телевизионных частот затухание настолько большое, что поверхностная волна может использоваться на расстояниях не больше 1-2 км от передатчика.

Связь на большие расстояния осуществляется главным образом пространственными волнами.

Чтобы получить преломление, т. е. возвращение волны на Землю, волна должна излучаться под определенным углом по отношению к земной поверхности. Наибольший угол излучения, при котором радиоволна данной частоты возвращается на землю, называется критическим углом для данного ионизированного слоя (рис. 2.7).

Рис. 2.7 Влияние угла излучения на прохождение пространственной волны.

Каждый ионизированный слой имеет свою критическую частоту и критический угол .

На рис. 2.7 показан луч, который легко преломляется слоем Е , так как луч входит под углом ниже критического угла этого слоя. Луч 3 проходит область Е , но возвращается на Землю слоем F 2 , потому что он входит под углом ниже критического угла слоя F 2 . Луч 4 также проходит слой Е . Он входит в слой F 2 при его критическом угле и возвращается на Землю. Луч 5 проходит обе области и теряется в пространстве.

Все лучи, изображенные на рис. 2.7, относятся к одной частоте. Если используется более низкая частота, требуются большие критические углы для обеих областей; наоборот, если частота увеличивается, обе области имеют меньшие критические углы. Если продолжать увеличивать частоту, то наступит момент, когда волна, распространяющаяся от передатчика параллельно Земле, будет превышать критический угол для любой области. Такое состояние получается на частоте около 30 МГц. Выше этой частоты связь пространственной волной становится ненадежной.

Итак, каждой критической частоте, соответствует свой критический угол, и, наоборот, каждому критическому углу соответствует своя критическая частота. Следовательно, любая пространственная волна, частота которой равна или ниже критической, будет на определенном удалении от передатчика возвращаться на Землю.

На рис. 2.7 луч 2 падает на слой Е при критическом угле. Обратите внимание, где отраженная волна падает на Землю (при превышении критического угла сигнал теряется); пространственная волна, дойдя до ионизированного слоя, отражается от него и возвращается на Землю на большом расстоянии от передатчика. На некотором расстоянии от передатчика, зависящем от мощности передатчика и длины волны, возможен прием поверхностной волны. От того места, где кончается прием поверхностной волны, начинается зона молчания и кончается она там, где появляется отраженная пространственная волна. Резкой границы зоны молчания не имеют.

Рис. 2.8 Зоны приема поверхностных и пространственных волн.

По мере возрастания частоты величина мертвой зоны увеличивается вследствие уменьшения критического угла. Для связи с корреспондентом на определенном расстоянии от передатчика в определенные время суток и времена года существует максимальная допустимая частота , которая может быть использована для связи пространственной волной. Каждая ионосферная область имеет свою максимальную допустимую частоту для связи.

Короткие и, тем более, ультракороткие волны в ионосфере теряют незначительную часть своей энергии. Чем выше частота, тем меньший путь проходят электроны при своих колебаниях, вследствие чего уменьшается число их столкновений с молекулами, т. е. уменьшаются потери энергии волны.

В более низких ионизированных слоях потери больше, так как повышенное давление свидетельствует о большей плотности газа, а при большей плотности газа вероятность столкновения частиц возрастает.

Длинные волны отражаются от нижних слоев ионосферы, имеющих наименьшую концентрацию электронов, при любых углах возвышения, в том числе и близких к 90°. Почва средней влажности является почти проводником для длинных волн, поэтому они хорошо отражаются от Земли. Многократным отражением от ионосферы и Земли объясняется дальнее распространение длинных волн.

Распространение длинных волн не зависит от времени года и метеорологических условий, от периода солнечной активности и от ионосферных возмущений. При отражении от ионосферы длинные волны претерпевают большое поглощение. Вот почему для связи на большие расстояния необходимо иметь передатчики большой мощности.

Средние волны заметно поглощаются в ионосфере и почве плохой и средней проводимости. Днем наблюдается только поверхностная волна, так как пространственная волна (длиннее 300 м) практически полностью поглощается в ионосфере. Для полного внутреннего отражения средние волны должны пройти некоторый путь в нижних слоях ионосферы, имеющих хотя и невысокую концентрацию электронов, но зато значительную плотность воздуха.

Ночью с исчезновением слоя D поглощение в ионосфере уменьшается, вследствие чего на пространственных волнах можно поддерживать связь на расстояниях 1500-2000 км при мощности передатчика около 1 кВт. Условия связи зимой несколько лучше, чем летом.

Достоинством средних волн является то, что они не подвержены влиянию ионосферных возмущений.

Согласно международному соглашению на волнах длиной около 600 м передаются сигналы бедствия (сигналы SOS).

Положительной стороной связи пространственной волной на коротких и средних волнах является возможность осуществления дальней связи при небольшой мощности передатчика. Но связь пространственными волнами имеет и существенные недостатки.

Во-первых , неустойчивость связи вследствие изменения высоты ионизированных слоев атмосферы в течение суток и года. Для поддержания связи с одним и тем же пунктом за сутки приходится 2-3 раза менять длину волны. Часто вследствие изменения состояния атмосферы связь на некоторое время нарушается совсем.

Во-вторых , наличие зоны молчания.

Волны короче 25 м относятся к «дневным волнам», так как они хорошо распространяются днем. К «ночным волнам» относятся волны длиннее 40 м. Эти волны хорошо распространяются ночью.

Условия распространения коротких радиоволн определяются состоянием ионизированного слоя Fг. Электронная концентрация этого слоя часто нарушается вследствие неравномерности солнечного излучения, вызывающей ионосферные возмущения и магнитные бури. В результате энергия коротких радиоволн значительно поглощается, что ухудшает радиосвязь, даже иногда делает ее совсем невозможной. Особенно часто ионосферные возмущения наблюдаются на широтах, близких к полюсам. Поэтому там коротковолновая связь ненадежна.

Наиболее заметные ионосферные возмущения имеют свою периодичность: они повторяются через 27 суток (время обращения Солнца вокруг своей оси).

В диапазоне коротких волн сильно сказывается влияние промышленных, атмосферных и взаимных помех.

Оптимальные частоты связи на коротких волнах выбираются на основе радиопрогнозов, которые делятся на долгосрочные и краткосрочные . В долгосрочных прогнозах указывается ожидаемое среднее состояние ионосферы в течение определенного отрезка времени (месяца, сезона, года и более), тогда как краткосрочные прогнозы составляются на сутки, пятидневку и характеризуют возможные отклонения ионосферы от ее среднего состояния. Прогнозы составляются в виде графиков в результате обработки систематических наблюдений за ионосферой, солнечной активностью и состоянием земного магнетизма.

Ультракороткие волны (УКВ) от ионосферы не отражаются, они свободно проходят ее, т. е. эти волны не имеют пространственной ионосферной волны. Поверхностная же ультракороткая волна, на которой возможна радиосвязь, имеет два существенных недостатка: во-первых, поверхностная волна не огибает земную поверхность и большие препятствия и, во-вторых, она сильно поглощается в почве.

Ультракороткие волны широко применяются там, где требуется небольшой радиус действия радиостанции (связь ограничивается обычно пределами прямой видимости). В этом случае связь ведется пространственной тропосферной волной. Она обычно состоит из двух составляющих: прямого луча и луча, отраженного от Земли (рис. 2.9).

Рис. 2.9 Прямой и отраженный лучи пространственной волны.

Если антенны расположены достаточно близко, оба луча обычно достигают приемной антенны, но интенсивность их различная. Луч, отраженный от Земли, слабее из-за потерь, происходящих во время отражения от Земли. Прямой луч имеет почти то же самое затухание, что и волна в свободном пространстве. В приемной антенне общий сигнал равен векторной сумме этих двух составляющих.

Приемная и передающая антенны имеют обычно одну и ту же высоту, так что длина пути отраженного луча немного отличается от прямого луча. Отраженная волна имеет сдвиг по фазе на 180°. Таким образом, пренебрегая потерями в Земле во время отражения, если два луча прошли одно и то же расстояние, векторная сумма их равна нулю, в результате в приемной антенне сигнала не будет.

В действительности отраженный луч проходит несколько большее расстояние, следовательно, разность фаз в приемной антенне будет около 180°. Разность фаз определяется разностью пути в отношениях длины волны, а не в линейных единицах. Другими словами, общий сигнал, принимаемый при этих условиях, зависит главным образом от используемой частоты. Например, если длина рабочей волны 360 м, а разность пути 2 м, сдвиг фазы будет отличаться от 180° только на 2°. В результате наблюдается почти полное отсутствие сигнала в приемной антенне. Если длина волны 4 м, та же самая разность пути 2 м будет вызывать разность фазы 180°, полностью компенсируя сдвиг фазы 180° при отражении. В этом случае сигнал удваивается по напряжению.

Из этого вытекает, что при низких частотах использование пространственных волн не представляет интереса для связи. Только на высоких частотах, где разность пути является соизмеримой с используемой длиной волны, пространственная волна широко используется.

Радиус действия передатчиков УКВ значительно увеличивается при связи самолетов в воздухе и с Землей.

К преимуществам УКВ следует отнести возможность применения небольших антенн. Кроме того, в диапазоне УКВ может одновременно работать большое число радиостанций без взаимных помех. На участке диапазона волн от 10 до 1 м можно разместить одновременно работающих станций больше, чем в диапазоне коротких, средних и длинных волн вместе взятых.

Широкое распространение получили ретрансляционные линии, работающие на УКВ. Между двумя пунктами связи, находящимися на большом расстоянии, устанавливается несколько УКВ приемопередатчиков, расположенных в пределах прямой видимости один от другого. Промежуточные станции работают автоматически. Организация ретрансляционных линий позволяет повысить дальность связи на УКВ и осуществить, многоканальную связь (вести одновременно несколько телефонных и телеграфных передач).

Сейчас уделяется большое внимание использованию УКВ диапазона для дальней радиосвязи.

Наибольшее применение получили линии связи, работающие в диапазоне 20-80 МГц и использующие явления ионосферного рассеяния. Считалось, что радиосвязь через ионосферу возможна лишь на частотах ниже 30 МГц (длина волны более 10 м), а так как этот диапазон полностью загружен и дальнейшее увеличение числа каналов в нем невозможно, вполне понятен интерес к рассеянному распространению радиоволн.

Это явление заключается в том, что некоторая часть энергии излучения сверхвысоких частот рассеивается имеющимися в ионосфере неоднородностями. Создаются эти неоднородности воздушными течениями слоев с различными температурой и влажностью, блуждающими заряженными частицами, продуктами ионизации хвостов метеоритов и другими еще малоизученными источниками. Поскольку тропосфера всегда неоднородна, рассеянное преломление радиоволн существует систематически.

Рассеянное распространение радиоволн подобно рассеянию света прожектора в темную ночь. Чем мощнее световой луч, тем больше он дает рассеянного света.

При изучении дальнего распространения ультракоротких волн было замечено явление резкого кратковременного повышения слышимости сигналов. Такие всплески случайного характера длятся от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. Однако практически они наблюдаются в течение суток с перерывами, редко превышающими несколько секунд. Появление моментов повышенной слышимости объясняется главным образом отражением радиоволн от ионизированных слоев метеоритов, сгорающих на высоте около 100 км. Диаметр этих метеоритов не превышает нескольких миллиметров, а их следы тянутся на несколько километров.

От метеоритных следов хорошо отражаются радиоволны частотой 50-30 МГц (6-10 м).

Ежедневно в земную атмосферу влетает несколько миллиардов таких метеоритов, оставляя за собой ионизированные следы с высокой плотностью ионизации воздуха. Это и дает возможность получить надежную работу радиолиний большой протяженности при использовании передатчиков относительно небольшой мощности. Неотъемлемой частью станций на таких линиях является вспомогательное буквопечатающее оборудование, снабженное элементом памяти.

Поскольку каждый метеоритный след существует всего несколько секунд, передача ведется автоматически короткими сериями.

В настоящее время широко используются связь и телевизионные передачи через искусственные спутники Земли.

Таким образом, по механизму распространения радиоволн линии радиосвязи можно классифицировать на линии, использующие:

процесс распространения радиоволн вдоль земной поверхности с огибанием ее (так называемые земные или поверхностные волны);

процесс распространения радиоволн в пределах прямой видимости (прямые волны);

отражение радиоволн от ионосферы (ионосферные волны);

процесс распространения радиоволн в тропосфере (тропосферные волны);

отражение радиоволн от метеорных следов;

отражение или ретрансляцию от искусственных спутников Земли;

отражение от искусственно создаваемых образований газовой плазмы или искусственно созданных проводящих поверхностей.

2.4 Особенности распространения радиоволн различных диапазонов

На условия распространения радиоволн в пространстве между передатчиком и радиоприемником корреспондентов оказывает влияние конечная проводимость земной поверхности и свойства среды над Землей. Это влияние для различных диапазонов волн (частот) различно.

Мириаметровые и километровые 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. Чем длиннее волна и лучше проводимость почвы, тем на большие расстояния обеспечивается радиосвязь.

В большой степени поглощают электромагнитную энергию песчаные сухие почвы и горные породы. При распространении за счет явления дифракции они огибают выпуклую земную поверхность, встречающиеся на пути препятствия: леса, горы, возвышенности и т.д. Начиная с расстояния 300-400 км от передатчика, появляется ионосферная волна, отраженная от нижней области ионосферы (от слоя D или Е). Днем из-за наличия слоя D поглощение электромагнитной энергии становится более существенным. Ночью, с исчезновением этого слоя, дальность связи увеличивается. Таким образом, прохождение длинных волн ночью, как правило, лучше, чем днем. Глобальные связи на СДВ и ДВ осуществляются волнами, распространяющимися в сферическом волноводе, образованном ионосферой и земной поверхностью.

Преимущество СДВ-, ДВ- диапазона:

радиоволны СДВ- и ДВ-диапазона обладают свойством проникать в толщу воды, а также распространяться в некоторых структурах почвы;

за счет волн, распространяющихся в сферическом волноводе Земли, обеспечивается связь на тысячи километров;

дальность связи мало зависит от ионосферных возмущений;

хорошие дифракционные свойства радиоволн этих диапазонов позволяют обеспечивать связь на сотни и даже тысячи километров земной волной;

постоянство параметров радиолинии обеспечивает стабильный уровень сигнала в точке приема.

Недостатки СДВ-,ДВ,- диапазона:

эффективное излучение волн рассматриваемых участков диапазона может достигаться лишь с помощью весьма громоздких антенных устройств, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Строительство и восстановление антенных устройств таких размеров в ограниченное время (в военных целях) затруднительно;

поскольку размеры реально выполняемых антенн меньше длины волны, то компенсация пониженной их эффективности достигается увеличением мощности передатчиков до сотен и более кВт;

создание резонансных систем в этом диапазоне и при значительных мощностях определяет большие размеры выходных каскадов: передатчиков, сложность быстрой перестройки на другую частоту;

для электропитания радиостанций СДВ- и ДВ-диапазонов) требуются большие мощности электростанций;

существенным недостатком СДВ- и ДВ-диапазонов является их небольшая частотная емкость;

достаточно большой уровень промышленных и атмосферных помех;

зависимость уровня сигнала в точке приема от времени суток.

Область практического применения радиоволн СДВ-, ДВ -диапазона:

связь с подводными объектами;

связь по глобальным магистральным линиям и подземная связь;

радиомаяки, а также связь в дальней авиации и ВМФ.

Гектометровые волны (СВ) могут распространяться поверхностной и пространственной волнами. Причем дальность связи поверхностной волной у них меньше (не превышает 1000-1500 км), так как их энергия поглощается почвой больше, чем у длинных волн. Волны, достигающие ионосферы, интенсивно поглощаются слоем D , когда он существует, но хорошо отряжаются слоем Е.

У средних волн дальность связи очень зависит от времени суток. Днем средние волны так сильно поглощаются в нижних слоях ионосферы, что пространственная волна практически отсутствует. Ночью слой D и нижняя часть слоя Е исчезают, поэтому поглощение средних волн уменьшается; и пространственные волны начинают играть главную роль. Таким образом важной особенностью средних волн является то, что днем связь на них поддерживается поверхностной волной, а ночью ‒ как поверхностной так и пространственной волнами одновременно.

Преимущества СВ-диапазона:

в ночное время летом и в течение большей части суток зимой дальность связи, обеспечиваемая ионосферной волной, достигает тысячи километров;

средневолновые антенные устройства оказываются достаточно эффективными и имеют приемлемые габариты даже для мобильных средств радиосвязи;

частотная емкость этого диапазона больше, чем СДВ- и ДВ-диапазонов;

хорошие дифракционные свойства радиоволн этого диапазона;

мощности передатчиков меньше, чем СДВ- и ДВ-диапазонов;

малая зависимость от ионосферных возмущений и магнитных бурь.

Недостатки СВ-диапазона:

загруженность СВ-диапазона мощными радиовещательными радиостанциями создает затруднения в широком использовании;

ограниченная частотная емкость диапазона затрудняет маневр частотами;

дальность связи на СВ в дневное время летом всегда ограничена, так как она возможна лишь земной волной;

достаточно большие мощности передатчиков;

затруднительно применение высокоэффективных антенных устройств, сложность построения и восстановление в короткие сроки;

достаточно большой уровень взаимных и атмосферных помех.

Область практического применения paдиoвoлн СВ-диапазона; средневолновые радиостанции чаще всего применяются в арктических районах, как резервные в случаях потери широко используемой коротковолновой радиосвязи из-за ионосферных и магнитных возмущений, а также в дальней авиации и ВМФ.

Декаметровые 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, увеличивающееся с ростом частоты.

Ионосферные волны за счет однократного или многократного отражения от ионосферы при благоприятных условиях могут распространяться на большие расстояния. Их основное свойство заключается в том, что они слабо поглощаются нижними областями ионосферы (слоями D и Е ) и хорошо отражаются ее верхними областями (главным образом слоем F 2 . находящимся на высоте 300-500 км над землей). Это дает возможность использовать относительно маломощные радиостанции для ведения прямой связи в неограниченно широком диапазоне расстояний.

Существенное снижение качества KB радиосвязи ионосферными волнами происходит из-за замирания сигналов. Природа замираний в основном сводится к интерференции нескольких приходящих к месту приема лучей, фаза которых вследствие изменения состояния ионосферы непрерывно меняется.

Причинами прихода нескольких лучей в место приема сигналов могут быть:

облучение ионосферы под углами, при которых лучи, претерпевающие

различное число отражений от ионосферы и Земли, сходятся в точке приема;

явление двойного лучепреломления под воздействием магнитного поля Земли, благодаря которому два луча (обыкновенный и необыкновенный), отражаясь от различных слоев ионосферы, достигают одной и той же точки приема;

неоднородность ионосферы, приводящая к диффузному отражению волн от различных ее областей, т.е. к отражению пучков множества элементарных лучей.

Замирания могут происходить также в силу поляризационных флуктуаций волн при отражении от ионосферы, приводящих к изменению соотношения вертикальных и горизонтальных составляющих электрического поля в месте приема. Поляризационные замирания наблюдаются гораздо реже интерференционных и составляют 10-15 % общего их числа.

Уровень сигнала в точках приема в результате замираний может изменяться в широких пределах ‒ в десятки и даже сотни раз. Промежуток времени между глубокими замираниями является случайной величиной и может меняться от десятых долей секунды до нескольких секунд, а иногда и более, причем переход от высокого к низкому уровню может проходить как плавно, так и весьма резко. Быстрые изменения уровня часто накладываются на медленные.

Условия прохождения коротких волн через ионосферу меняются от года к году, что связано с почти периодическим изменением солнечной активности, т.е. с изменением числа и площади солнечных пятен (числа Вольфа), которые являются источниками радиации, ионизирующей атмосферу. Период повторения максимальной солнечной активности составляет 11,3±4 года. В годы максимальной солнечной активности максимально применимые частоты (МПЧ) повышаются, а области рабочих диапазонов частот расширяются.

На рис. 2.10 показано типовое семейство суточных графиков МПЧ и наименьших применимых частот (НПЧ) для излучаемой мощности, равной 1 кВт.

Рис. 2.10 Ход кривых МПЧ и НПЧ.

Это семейство суточных графиков соответствует определенным географическим районам. Из него следует, что применимый диапазон частот для ведения связи на заданное расстояние может оказаться весьма небольшим. При этом необходимо учитывать, что ионосферные прогнозы могут иметь погрешность, поэтому при выборе максимальных частот связи стараются не превышать линию так называемой оптимальной рабочей частоты (ОРЧ), проходящей ниже линии МПЧ на 20-30 %. Разумеется, что рабочая ширина участка диапазона от этого дополнительно сокращается. Снижение уровня сигнала при приближении к максимально применимой частоте объясняется непостоянством параметров ионосферы.

В связи с тем, что состояние ионосферы изменяется, связь ионосферной волной требует правильного выбора частот в течение суток:

ДНЕМ используют частоты 12-30 МГц,

УТРОМ и ВЕЧЕРОМ 8-12 МГц, НОЧЬЮ 3-8 МГц.

Из графиков также видно, что с уменьшением протяженности линии радиосвязи участок применимых частот сокращается (для расстояний до 500 км в ночное время он может составлять всего лишь 1-2 МГц).

Условия радиосвязи для протяженных линий оказываются более благоприятными, чем для коротких, так как их меньше, а участок пригодных частот для них значительно шире.

Существенное влияние на состояние KB радиосвязи (особенно в полярных районах) могут иметь ионосферные и магнитные бури, т.е. возмущения ионосферы и магнитного поля Земли под воздействием потоков заряженных частиц, извергаемых Солнцем. Эти потоки часто разрушают основной отражающий ионосферный слой F2 в районе высоких геомагнитных широт. Магнитные бури могут проявляться не только в полярных областях, но и на всем земном шаре. Ионосферные возмущения обладают периодичностью и связаны со временем обращения Солнца вокруг своей оси, которое равно 27 суткам.

Для коротких волн характерно наличие зон молчания (мертвых зон). Зона молчания (рис. 2.8) возникает при радиосвязи на большие расстояния на участках, до которых поверхностная волна не доходит вследствие её затухания, а пространственная волна отражается от ионосферы на большее расстояние. Это происходит при использовании узконаправленных антенн при излучении под небольшими углами к горизонту.

Преимущества КВ-диапазона:

ионосферные волны могут распространяться на большие расстояния за счет однократного или многократного отражения от ионосферы при благоприятных условиях. Они слабо поглощаются нижними областями ионосферы (слоями D и Е) и хорошо отражаются верхними (главным образом, слоем F2);

возможность использовать относительно маломощные радиостанции для ведения прямой связи в неограниченно широком диапазоне расстояний;

частотная вместимость КВ-диапазона значительно больше, чем СДВ-, ДВ-, СВ-диапазонов, что обеспечивает возможность одновременной работы большого числа радиостанций;

антенные устройства, используемые в диапазоне декаметровых волн, имеют приемлемые (даже для установки на подвижных объектах) габариты и могут обладать явно выраженными направленными свойствами. Они имеют малое время развертывания, дешевы и легко восстанавливаются при повреждениях.

Недостатки КВ-диапазона:

радиосвязь ионосферными волнами может осуществляться, если применяемые частоты лежат ниже максимальных значений (МПЧ), определяемых для каждой протяженности линии радиосвязи степенью ионизации отражающих слоев;

связь возможна лишь в том случае, если мощности передатчиков и коэффициенты усиления применяемых антенн при имеющем место поглощении энергии в ионосфере обеспечивают необходимую напряженность электромагнитного поля в точке приема. Это условие ограничивает нижний предел применимых частот (НПЧ);

недостаточная частотная емкость для использования широкополосных режимов работы и маневра частотами;

огромное количество одновременно работающих радиостанций при большой дальности связи создает большой уровень взаимных помех;

большая дальность связи позволяет легко использовать противником преднамеренные помехи;

наличие зон молчания при обеспечении связи на большие расстояния;

существенное снижение качества KB радиосвязи ионосферными волнами из-за замирания сигналов, возникающих в силу непостоянства структуры отражающих слоев ионосферы, ее постоянного возмущения и многолучевого распространения волн.

Область практического применения радиоволн КВ-диапазона

KB радиостанции находят самое широкое практическое применение для связи удаленными абонентами.

Метровые волны (УКВ) включают в себя ряд участков частотного диапазона, обладающих огромной частотной емкостью.

Естественно, что эти участки в значительной степени отличаются один другого по свойствам распространения радиоволн. Энергия УКВ сильно поглощается Землей (в общем случае пропорционально квадрату частоты), поэтому земная волна довольно быстро затухает. Для УКВ несвойственно регулярное отражение от ионосферы, следовательно, связь рассчитывается на использование земной волны и волны, распространяющейся в свободном пространстве. Пространственные волны короче 6-7 м (43-50 МГц), как правило, проходят через ионосферу, не отражаясь от нее.

Распространение УКВ происходит прямолинейно, максимальная дальность ограничивается дальностью прямой видимости. Ее можно определить по формуле:

где Dmax – дальность прямой видимости, км;

h1 – высота передающей антенны, м;

h2 – высота приемной антенны, м.

Однако за счет рефракции (преломления) происходит искривление распространения радиоволн. В этом случае в формуле дальности более точным будет коэффициент не 3,57, а 4,1-4,5. Из этой формулы следует, что для увеличения дальности связи на УКВ необходимо выше поднимать антенны передатчика и приемника.

Увеличение мощности передатчика не ведет к пропорциональному увеличению дальности связи, поэтому в данном диапазоне находят применение маломощные радиостанции. При связи за счет тропосферного и ионосферного рассеяния требуются передатчики значительных мощностей.

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 зависит от длины волн. Наибольшая дальность достигается на метровых волнах, особенно на волнах, примыкающих к КВ-диапазону.

Метровые волны 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, что и обеспечивает ведение связи на закрытых трассах.

В диапазоне метровых волн нередко наблюдается дальнее распространение радиоволн, что обусловлено рядом причин. Дальнее распространение может возникнуть при образовании спорадических ионизированных облаков (спорадического слоя Fs). Известно, что этот слой может появиться в любое время года и суток, однако для нашего полушария – преимущественно в конце весны и 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 Fs, 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.

Дальнее распространение метровых волн может быть также при осуществлении высотных ядерных взрывов. В этом случае, кроме нижней области повышенной ионизации возникает верхняя (на уровне слоя Fs). Метровые волны проникают через нижнюю область, испытывая некоторое поглощение, отражаются от верхней и возвращаются на Землю. Расстояния, перекрываемые при этом, лежат в пределах от 100 до 2500 км. Напряженность поля отраженных волн зависит от частоты: наиболее низкие частоты претерпевают наибольшее поглощение в нижней области ионизации, а наиболее высокие испытывают неполное отражение от верхней области.

Граница раздела между KB и метровыми волнами проходит на длине волны 10 м (30 МГц). 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 частот применяется в интересах радиосвязи, ориентирующейся на метровые волны.

Преимущества УКВ-диапазона:

малые габариты антенн позволяют реализовать ярко выраженное направленное излучение, компенсирующее быстрое затухание энергии радиоволн;

условия распространения в основном не зависят от времени суток и годa, а также солнечной активности;

ограниченная дальность связи позволяет многократно использовать одни и те же частоты на участках поверхности, расстояние между границами которых не меньше суммы дальности действия радиостанций с одинаковыми частотами;

меньший уровень непреднамеренных (естественного и искусственного происхождения) и преднамеренных помех за счет узконаправленных антенн и ог раниченной дальности связи;

огромная частотная ёмкость, позволяющая использовать помехоустойчивые широкополосные сигналы для большого числа одновременно работающих станций;

при использовании для радиосвязи широкополосных сигналов достаточно частотной нестабильности радиолинии δf=10 -4 ;

способность УКВ проникать через ионосферу без существенных энергетических потерь сделала возможным осуществление космической радиосвязи на расстояния, измеряемые миллионами километров;

высокое качество радиоканала;

из-за весьма низких энергетических потерь в свободном пространстве дальность связи между летательными аппаратами, оборудованными относительно маломощными радиостанциями, может достигать нескольких сот километров;

свойство дальнего распространения метровых волн;

малая мощность передатчиков и небольшая зависимость дальности связи от мощности.

Недостатки УКВ-диапазона:

малая дальность радиосвязи земной волной, практически ограниченная прямой видимостью;

при использовании узконаправленных антенн затруднена работа с несколькими корреспондентами;

при использовании антенн с круговой направленностью уменьшается дальность связи, разведзащищенность, помехозащищенность.

Область практического применения радиоволн УКВ-дианазона Диапазон используется одновременно 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 тактическом звене управления, в том числе между различного рода подвижными объектами. Связь на межпланетные расстояния.

Учитывая преимущества и недостатки каждого диапазона, можно сделать вывод, что наиболее приемлемыми диапазонами для работы радиостанциями малой мощности являются диапазоны декаметровых (KB) и метровых (УКВ) волн.

2.5 Влияние ядерных взрывов на состояние радиосвязи

При ядерных взрывах мгновенное гамма-излучение, взаимодействуя с атомами окружающей среды, создает поток быстрых электронов, летящих с большой скоростью преимущественно в радиальном направлении от центра взрыва, и положительных ионов, остающихся практически на месте. Таким образом, в пространстве на некоторое время происходит разделение положительных и отрицательных зарядов, что приводит к возникновению электрических и магнитных полей. Эти поля ввиду их кратковременности принято называть электромагнитным импульсом (ЭМИ ) ядерного взрыва. Продолжительность его существования примерно 150-200 миллисекунд.

Электромагнитный импульс (пятый поражающий фактор ядерного взрыва ) при отсутствии специальных мер защиты может повреждать аппаратуру управления и связи, нарушать работу электрических устройств, подключенных к протяженным наружным линиям.

Наиболее подвержены воздействию электромагнитного импульса ядерного взрыва системы связи, сигнализации и управления. В результате воздействия ЭМИ наземного или воздушного ядерного взрыва на антенны радиостанций в них наводится электрическое напряжение, под действием которого может происходить пробой изоляции, трансформаторов, плавление проводов, выход из строя разрядников, порча электронных ламп, полупроводниковых приборов, конденсаторов, сопротивлений и т. п.

Установлено, что при воздействии ЭМИ на аппаратуру наибольшее напряжение наводится на входных цепях, В отношении транзисторов наблюдается такая зависимость: чем выше коэффициент усиления транзистора, тем меньше его электрическая прочность.

Радиоаппаратура имеет электрическую прочность по постоянному напряжению не более 2-4 кВ. Учитывая, что электромагнитный импульс ядерного взрыва является кратковременным, предельную электрическую прочность аппаратуры без средств защиты можно считать более высокой ‒ примерно 8-10 кВ.

В табл. 1 приведены ориентировочные расстояния (в км), на которых в антеннах радиостанций в момент ядерного взрыва наводятся опасные для аппаратуры напряжения, превышающие 10 и 50 кВ.

Таблица 1

Hа бȍльших расстояниях воздействие ЭМИ оказывается аналогичным воздействию не очень далекого разряда молнии и не вызывает повреждения аппаратуры.

Воздействие электромагнитного импульса на радиоаппаратуру резко снижается в случае применения специальных мер защиты.

Наиболее аффективным способом зашиты радиоэлектронной аппаратуры, расположенной в сооружениях, является использование электропроводящих (металлических) экранов, которые в значительной мере снижают величины напряжений, наводимых на внутренних проводах и кабелях. Применяются средства защиты, аналогичные грозозащитным средствам: разрядники с дренажными и запирающими катушками, плавкие вставки, развязывающие устройства, схемы автоматического отключения аппаратуры от линии.

Хорошей защитной мерой является также надежное заземление аппаратуры в одной точке. Эффективно и выполнение радиотехнических устройств поблочно, с зашитой каждого блока и всего устройства в целом. Это дает возможность быстро сменить вышедший из строя блок резервным (в наиболее ответственной аппаратура проводится дублирование блоков с автоматическим переключением их при повреждении основных). В некоторых случаях дли защиты от ЭМИ можно использовать селеновые элементы и стабилизаторы.

Кроме того, могут быть применены защитные входные приспособления , которые представляют собой различные релейные или электронные устройства, реагирующие на превышение напряжения в цепи. При приходе импульса напряжения, наведенного в линии электромагнитным импульсом, они отключают питание от аппарата или просто разрывают рабочие цепи.

При выборе защитных устройств, следует учитывать, что воздействие ЭМИ характеризуется массовостью, то есть одновременным срабатыванием защитных средств во всех цепях, оказавшихся в районе взрыва. Поэтому применяемые схемы защиты должны автоматически восстанавливать работоспособность цепей немедленно после прекращения действия электромагнитного импульса.

Устойчивость аппаратуры к воздействию напряжения, возникающих в линиях при ядерном взрыве, в большой степени зависит от правильной эксплуатации линии и тщательного контроля исправности средств защиты.

К важным требованиям эксплуатации относится периодическая и своевременная проверка электрической прочности изоляции линии и входных цепей аппаратуры, своевременное выявление и устранение возникших заземлений проводов, контроль за исправностью разрядников, плавких вставок и т. п.

Высотный ядерный взрыв сопровождается образованием областей повышенной ионизации. При взрывах на высотах примерно до 20 км ионизированная область ограничивается сначала размерами светящейся области, а затем облаком взрыва. На высотах 20-60 км размеры ионизированной области несколько больше размеров облака взрыва, особенно у верхней границы этого диапазона высот.

При ядерных взрывах на больших высотах в атмосфере возникают две области повышенной ионизации.

Первая область образуется в районе взрыва за счет ионизированного вещества боеприпаса и ионизации воздуха ударной волной. Размеры этой области в горизонтальном направлении достигают десятков и сотен метров.

Вторая область повышенной ионизации возникает ниже центра взрыва в слоях атмосферы на высотах 60-90 км в результате поглощения воздухом проникающих излучений. Расстояния, на которых проникающие излучения производят ионизацию, в горизонтальном направлении составляют сотни и даже тысячи километров.

Области повышенной ионизации, возникающие при высотном ядерном взрыве, поглощают радиоволны и изменяют направление их распространения, что приводит к существенному нарушению работы радиосредств. При этом возникают перебои в радиосвязи, а в некоторых случаях она нарушается полностью.

Характер поражающего действия электромагнитного импульса высотных ядерных взрывов в основном аналогичен характеру поражающего действия ЭМИ наземных и воздушных взрывов.

Меры защиты от поражающего действия электромагнитного импульса высотных взрывов такие же, как и от ЭМИ наземных и воздушных взрывов.

2.5.1 Защита от ионизирующих и электромагнитных излучений

высотных ядерных взрывов (ВЯВ)

Помехи РС могут возникать вследствие взрывов ядерных боеприпасов, сопровождающихся излучением мощных электромагнитных импульсов малой длительности (10-8 сек) и изменением электрических свойств атмосферы.

ЭМИ (радиовспышка) возникает:

во-первых , в результате асимметричного расширения облака электрических разрядов, образующихся под воздействием ионизирующих излучений взрывов;

во-вторых , за счет быстрого расширения хорошо проводящего газа (плазмы), образующегося из продуктов взрыва.

После взрыва в космосе создается огненный шар, который представляет собой сильно ионизированную сферу. Эта сфера быстро расширяется (со скоростью порядка 100-120 км/ч) над земной поверхностью, преобразуясь в сферу ложной конфигурации, толщина сферы достигает 16-20 км. Концентрация электронов в сфере может доходить до 105-106 электр./см3, т. е. в 100-1000 раз превышать нормальную концентрацию электронов в ионосферном слое D .

Высотные ядерные взрывы (ВЯВ) на высотах больше 30 км существенным образом влияют на больших пространствах в течение продолжительного времени на электрические характеристики атмосферы, и, следовательно, оказывают сильное влияние на распространение радиоволн.

Кроме того, возникающий при ВЯВ мощный электромагнитный импульс индуцирует в проводных линиях связи большие напряжения (до 10 000-50 000 В) и токи до нескольких тысяч ампер.

Мощность ЭМИ настолько велика, что его энергии достаточно для проникновения в толщу земли до 30 м и наведения ЭДС в радиусе до 50-200 км от эпицентра взрыва.

Однако основное воздействие ВЯВ состоит в том, что выделившееся про взрыве огромное количество энергии, а также интенсивные потоки нейтронов, рентгеновских, ультрафиолетовых и гамма – лучей приводят к образованию в атмосфере сильно ионизированных областей и повышению плотности электронов в ионосфере, что в свою очередь, ведет к поглощению радиоволн и нарушению устойчивости функционирования системы управления.

2.5.2 Характерные признаки ВЯВ

ВЯВ в данном районе или вблизи него сопровождается мгновенным прекращением приема дальних станций в КВ диапазоне волн.

В момент прекращения связи в телефонах наблюдается короткий щелчок, а затем прослушиваются только собственные шумы приемника и слабые трески типа громовых разрядов.

Через несколько минут после прекращения связи на КВ резко возрастают помех от дальних станций в метровом диапазоне волн на УКВ.

Уменьшается дальность действия РЛС и точность измерения координат.

В основе защиты электронных средств лежит правильное использование частотного диапазона и всех факторов, которые возникают в результате применения ВЯВ

2.5.3 Основные определения:

отраженная радиоволна (отраженная волна ) – радиоволна, распространяющаяся после отражения от поверхности раздела двух сред или от неоднородностей среды;

прямая радиоволна (прямая волна ) – радиоволна, распространяющаяся непосредственно от источников к месту приема;

земная радиоволна (земная волна ) – радиоволна, распространяющаяся вблизи земной поверхности и включающая прямую волну, волну, отраженную от земли, и поверхностную волну;

ионосферная радиоволна (ионосферная волна ) – радиоволна, распространяющаяся в результате отражения от ионосферы или рассеяния на ней;

поглощение радиоволн (поглощение ) – уменьшение энергии радиоволны вследствие частичного перехода ее в тепловую энергию в результате взаимодействия со средой;

многолучевое распространение радиоволн (многолучевое распространение ) – распространение радиоволн от передающей к приемной антенне по нескольким траекториям;

действующая высота отражения слоя (действующая высота ) – гипотетическая высота отражения радиоволны от ионизированного слоя, зависящая от распределения электронной концентрации по высоте и длине радиоволны, определяемая через время между передачей и приемом отраженной ионосферной волны при вертикальном зондировании в предположении, что скорость распространения радиоволны на всем пути равна скорости света в вакууме;

ионосферный скачок (скачок ) – траектория распространения радиоволны одной точки на поверхности Земли к другой, прохождение по которой сопровождается одним отражением от ионосферы;

максимальная применимая частота (МПЧ ) – наивысшая частота радиоизлучения, на которой существует ионосферное распространение радиоволн между заданными пунктами в заданное время в определенных условиях, это частота, которая еще отражается от ионосферы;

оптимальная рабочая частота (ОРЧ ) – частота радиоизлучения ниже ПЧ, на которой может осуществляться устойчивая радиосвязь в определенных геофизических условиях. Как правило, ОРЧ ниже МПЧ на 15%;

вертикальное ионосферное зондирование (вертикальное зондирование ) – ионосферное зондирование при помощи радиосигналов, излучаемых вертикально вверх относительно поверхности Земли при условии, что точки излучения и приема совмещены;

ионосферное возмущение – нарушение в распределении ионизации в слоях атмосферы, которое превосходит обычно изменения средних характеристик ионизации для данных географических условий;

ионосферная буря – продолжительное ионосферное возмущение большой интенсивности.

УДК 537.874

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСЛАБЛЕНИЯРАДИОВОЛН СТРОИТЕЛЬНЫМИ И ЭКРАНИРУЮЩИМИ
МАТЕРИАЛАМИ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 800 МГц – 17 ГГц

А. Н. Катруша

Военно-учебный научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

Аннотация. Экспериментально получены коэффициенты прохождения радиоволн для различных материалов в широком диапазоне частот; рассмотрены типовые трассы распространения радиоволн при организации экранирования оконного проема здания; проведен физический анализ полученных результатов.

Ключевые слова: распространение радиоволн, экспериментальные исследования, электромагнитное экранирование.

Abstract. Factors of passage of radio-waves for various materials in a wide range of frequencies are experimentally received; typical lines of propagation of radio-waves are considered at the organisation of shielding of a window aperture of a building; the physical analysis of the received results is carried out.

Keywords: propagation of radio-waves, experimental researches, e lectromagnetic shielding.

Введение.

Оценка уровня сигнала при распространении радиоволн в условиях городской застройки необходима при решении таких важных задач, как планирование и организация сетей мобильной радиосвязи (в том числе сверхширокополосных), беспроводных компьютерных сетей, а также формирования помех с целью предотвращения утечки информации по радиоканалу. Кроме того в настоящее время представляет интерес исследование ослабления различными препятствиями сверхкоротких электромагнитных импульсов при их деструктивном воздействии на радиоэлектронную аппаратуру, находящуюся внутри здания.

Данные по ослаблению радиоволн при их прохождении внутрь здания могут быть найдены в справочной литературе, например , однако они приводятся или в обобщенном виде для ряда выборочных частот, или в виде усредненных значений в весьма широких диапазонах частот (например, в величина ослабления при прохождении радиоволн внутрь здании усреднена для диапазона частот 500 МГц – 3 ГГц). Очевидно, что для адекватной оценки уровней ослабления сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов необходимы более детальные сведения о коэффициентах ослабления радиоволн различными препятствиями в полосе частот сигналов (импульсов), достигающей несколько гигагерц.

Для исследований выбран диапазон частот 800 МГц – 17 ГГц, охватывающий диапазоны работы современных сетей мобильной радиосвязи, беспроводной передачи данных, сверхширокополосных систем связи, а также наиболее актуальные диапазоны частот сверхкоротких электромагнитных импульсов.

Результаты экспериментальных исследований.

Рассмотрим каноническую задачу прохождения радиоволн внутрь здания при нормальном падении волны на фронтальную стену здания. Очевидно, что наименьшее ослабление ожидается при распространении радиоволн через оконный проем. В связи с этим задача экранирования помещений решается путем применения оконных штор из экранирующих материалов.

Необходимо отметить, что для экранирующих материалов известны только коэффициенты прохождения сквозной волны, полученные в лабораторных условиях . Поэтому представляет интерес исследование характеристик экранирующих материалов на трассах распространения в составе препятствия «окно + экранирующий материал», а также влияние дифракционных компонент на параметры экранирования.

Экспериментальная установка для измерения коэффициентов прохождения радиоволн через препятствия состояла из передатчика, приемника и двух встречно направленных рупорных антенн П6-23М. В качестве передатчика использовался генератор сигналов Rhode & Swarz SMF 43, приемником служил анализатор спектра Rhode & Swarz FSU 26.

Прохождение радиоволн через стеклопакет.

Экспериментальные исследования прохождения радиоволн через окно проводились с использованием стандартного двухкамерного стеклопакета (три листа стекла) в составе пластикового оконного блока. Передающая и приемная антенны размещались встречно на удалении 1,5 м от окна (рис.1).

Рис.1. Схема измерения коэффициента прохождения черезстеклопакет

Измерялся уровень мощности сигнала на входе анализатора спектра при наличии стеклопакета, где - частота сигнала . Затем створка окна открывалась, и измерялся уровень сигнала при отсутствии препятствия между антеннами (в свободном пространстве). Коэффициент прохождения радиоволн через стеклопакет относительно свободного пространства рассчитывался по формуле

Частотная зависимость , полученная на основе проведенных измерений, представлена на рис. 2.

Рис.2. Частотная зависимость коэффициента прохождения радиоволн через стеклопакет

Анализ рисунка показывает, что коэффициент прохождения через стеклопакет существенно зависит от частоты. На частотах 800 МГц – 3 ГГц наблюдается осциллирующий характер коэффициента прохождения, однако средний уровень равен 0 дБ. Вероятно, эти осцилляции обусловлены отражением радиоволн от металлических составляющих оконной конструкции (на частотах 1-2 ГГц диаграмма направленности антенны П6-23М достаточно широкая, поэтому отраженные волны могут вносить ощутимый вклад в принимаемый сигнал). В диапазоне 3 – 5,8 ГГц ослабление радиоволн незначительное (до -4 дБ). На частотах 5,8 – 13 ГГц наблюдается существенное ослабление сигнала до -20 дБ. В диапазоне 13 – 16 ГГц коэффициент прохождения не превышает -2 дБ. Выше 16 ГГц снова наблюдается увеличение ослабления. Такой характер частотной зависимости коэффициента прохождения объясняется зависимостью диэлектрической проницаемости стекла от частоты (а, следовательно, частотной зависимостью коэффициента отражения радиоволн от стекла).

Для качественного выявления указанной зависимости проведены дополнительные измерения. Сначала измерялся уровень сигнала при прохождении радиоволн через стеклопакет . Затем параллельно стеклопакету размещалось дополнительное стекло на некотором расстоянии d (рис. 3) и измерялся уровень сигнала . Коэффициент прохождения через дополнительное стекло в составе препятствия «стеклопакет + стекло» рассчитывался по формуле

Рис. 3 Схема измерения коэффициента прохождения радиоволн через стеклопакет и дополнительное стекло

Очевидно, что коэффициент прохождения препятствия «стеклопакет + дополнительное стекло» относительно свободного пространства можно рассчитать как , однако для оценки ослабления, вносимого дополнительным стеклом, рассмотрим зависимость .

На рис. 4 приведены частотные зависимости коэффициента прохождения радиоволн при расстоянии между стеклопакетом и дополнительным стеклом d =30 см и 40 см, а также при развороте дополнительного стекла в горизонтальной плоскости на угол 45 0 .

Рис. 4. Частотные зависимости коэффициента прохождения радиоволн через дополнительное стекло

Из анализа рис. 4 можно сделать следующие выводы. В диапазоне 3 – 13 ГГц наблюдаются существенные периодические осцилляции коэффициента прохождения, достигающие размаха в 20 дБ. Такой резонансный характер коэффициента прохождения объясняется многочисленными переотражениями между стеклопакетом и дополнительным стеклом. Причем при увеличении расстояния d с 30 см до 40 см частота осцилляций увеличивается, поскольку разность хода между различными лучами, приходящими в точку приема возрастает. При развороте дополнительного стекла на 45 0 периодические осцилляции прекращаются, однако на некоторых частотах наблюдаются глубокие провалы коэффициента прохождения.

Таким образом, в диапазонах частот 800 МГц – 3 ГГц и 13 ГГц – 17 ГГц диэлектрическая проницаемость стекла близка к диэлектрической проницаемости воздуха, в диапазоне частот 3 ГГц – 13 ГГц диэлектрическая проницаемость стекла отличается от диэлектрической проницаемости воздуха, причем это отличие наиболее существенно в диапазоне 6,5 ГГц – 12 ГГц.

Прохождение радиоволн через экранирующие материалы.

Задача экранирования электромагнитных волн является актуальной как при организации электромагнитной совместимости, так и при защите радиоэлектронной аппаратуры от мощных электромагнитных импульсов. В качестве экранирующих материалов достаточно часто применяются различные металлизированные ткани, например, полиэфирная ткань МЕТАКРОН, покрытая никелем .

На рис. 5 приведены частотные зависимости коэффициента прохождения тканей МЕТАКРОН 1П4-Н3 толщиной 3 мкм и 1П16-Н5 толщиной 5 мкм. Измерения проводились в комнате размером 4 м × 8 м × 2,5 м, размер экранирующего материала составлял 2,5 м × 4 м (экран полностью перекрывал поперечное сечение комнаты). Расстояние между антеннами составляло 1 м (рис. 5а) и 6 м (рис. 5б).

Анализ рис. 5 показывает, что при прохождении радиоволн через более тонкую ткань 1П4-Н3 преобладает сквозная волна, ослабление составляет в среднем -30 дБ почти во всем исследуемом диапазоне частот. Однако на частотах менее 3 ГГц уровень дифракционных волн становится соизмерим с уровнем сквозной волны, при этом появляются интерференционные осцилляции коэффициента прохождения, достигающие 20 дБ. При использовании в качестве экрана ткани 1П16-Н5 во всем диапазоне частот преобладают дифракционные и переотраженные в комнате волны, при этом осцилляции коэффициента прохождения достигают 30 дБ.

Рис. 5. Частотные зависимости коэффициента прохождения радиоволн через металлизированные ткани

Увеличение расстояния между антеннами приводит к повышению уровней дифракционных компонент (рис. 5б), особенно это заметно для ткани 1П16-Н5 (коэффициент прохождения увеличивается в среднем на 20 дБ). При этом на частотах менее 3 ГГц различия между коэффициентами прохождения тканей 1П4-Н3 и 1П16-Н5 практически отсутствуют (рис. 5б) вследствие доминирования дифракционных компонент.

Необходимо отметить, что полученные значения коэффициентов прохождения существенно отличаются от результатов лабораторных испытаний , поскольку учитывают в точке приема не только сквозную, но и дифракционную компоненту радиоволн, которая во многих практически важных случаях может вносить существенный вклад в формируемое поле.

Для решения задач электромагнитного экранирования на практике могут применяться радиоотражающие краски. На рис. 6 приведены измеренные частотные зависимости коэффициентов прохождения радиоволн через лист фанеры размером 1 м × 1 м, покрытый графитовой краской.

Рис. 6. Частотные зависимости коэффициента прохождения радиоволн через лист фанеры, покрытый графитовой краской, и металлический лист

Расстояние между антеннами составляло 1 м. Для сравнения на рисунке также представлена частотная зависимость коэффициента прохождения через сплошной металлический лист аналогичного размера.

Ослабление, вносимое экраном с графитовым покрытием, составляет в среднем -20 дБ практически во всем диапазоне частот. При этом доминирует сквозная волна. Как известно, при прохождении радиоволн через металлический лист преобладают дифракционные компоненты (сквозная компонента практически отсутствует). Из сравнения двух зависимостей видно, что дифракционная компонента при прохождении через лист фанеры, покрытый графитовой краской, соизмерима со сквозной компонентой на частотах менее 4 ГГц, а на частотах порядка 1 ГГц начинает доминировать.

Необходимо отметить, что на практике с помощью экранирующих материалов закрываются оконные проемы, поэтому представляет интерес оценка коэффициента прохождения радиоволн при размещении экрана перед окном. На рис. 7 приведена схема измерения коэффициента прохождения, моделирующая ситуацию экранирования помещения с оконным проемом. При этом имитируется прохождение радиоволн с улицы внутрь здания через окно.

Рис. 7 Схема измерения коэффициента прохождения через экранирующий материал в составе препятствия «стеклопакет + экран»

Производились измерения мощности сигнала и при отсутствии и наличии экранирующего материала соответственно. Расчет коэффициента прохождения экранирующего материала в составе препятствия «стеклопакет + экранирующий материал» производился по формуле

Частотная зависимость коэффициента прохождения листа фанеры, покрытого графитовой краской, относительно стеклопакета приведена на рис. 8, при расстоянии между экраном и стеклопакетом = 14 см и = 30 см. Расстояние между антеннами составляло 3 м.

Рис. 8. Частотные зависимости коэффициента прохождения через экран с графитовым покрытием, расположенный перед окном

Анализ рис. 8 показывает, что коэффициент прохождения носит осциллирующий характер, однако в диапазоне частот 800 МГц – 3 ГГц осцилляции обусловлены интерференцией дифракционных компонент поля, а в диапазоне 3 ГГц – 14 ГГц интерференцией сквозных волн многократно переотраженных между стеклопакетом и экранирующим материалом. Такой вывод обосновывается сравнением зависимостей при различных удалениях экрана от стеклопакета. И если в диапазоне 3-14 ГГц при уменьшении расстояния с 30 до 14 см частота осцилляций уменьшается в 2 раза (что обусловлено уменьшением разности хода между переотраженными волнами в резонаторе «стеклопакет – экран»), то в диапазоне частот 800 МГц – 3 ГГц зависимости практически не отличаются.

Из сравнения зависимостей, представленных на рис. 7 и 8, можно сделать следующий вывод: ослабление, вносимое экраном существенно зависит от условий распространения радиоволн, при этом за счет многократных переотражений между стеклопакетом и экраном может значительно отличаться (на 10 дБ и более) от ослабления, вносимого одним экраном, размещенным в свободном пространстве.

В качестве экранирующего материала кроме специально изготавливаемых металлизированных тканей и радиоотражающих покрытий может применяться обычная солнцезащитная пленка. Очевидно, что наличие металлизации делает солнцезащитную пленку радиоотражающей, поэтому представляет интерес измерение коэффициента прохождения радиоволн через пленку в исследуемом диапазоне частот.

На рис. 9 представлены частотные зависимости коэффициента прохождения радиоволн через солнцезащитную пленку средней плотности (один и два слоя) размером 0,5 м × 1 м. Расстояние между антеннами составляло 1 м.

Рис. 9. Частотные зависимости коэффициента прохождения через солнцезащитную пленку

Из анализа рис. 9 видно, что коэффициент прохождения через один слой пленки в среднем составляет -40 дБ. Необходимо отметить, что экранирующие свойства обычной солнцезащитной пленки в среднем на 10 дБ превышают экранирующие свойства ткани МЕТАКРОН 1П4-Н3 (рис. 5). Таким образом, солнцезащитная пленка вполне может использоваться в качестве экранирующего материала. При этом пленка может наклеиваться на оконное стекло и применяться в качестве шторы на некотором удалении от окна.

На рис. 10 представлены частотные зависимости коэффициента прохождения одного слоя солнцезащитной пленки, расположенной перед окном на расстоянии 40 см. Расстояние между антеннами составляло 3 м.

Рис. 10. Частотная зависимость коэффициента прохождения радиоволн через солнцезащитную пленку, расположенную перед окном

Анализ зависимостей, представленных на рис. 10 показывает, что частотная зависимость коэффициента прохождения носит весьма изрезанный характер. На частотах 3 ГГц – 14 ГГц интерференционные осцилляции обусловлены резонансными переотражениями радиоволн между стеклопакетом и пленкой, при этом полученная зависимость качественно отличается от аналогичной зависимости коэффициента прохождения, представленной на рис. 8 (вместо периодических осцилляций наблюдается хаотические изменения коэффициента прохождения). Это объясняется неровной (волнистой) поверхностью пленки, используемой в экспериментах, в результате коэффициент отражения от пленки существенно зависел от частоты.

Прохождение радиоволн через стену.

Необходимо отметить, что при прохождении радиоволн внутрь здания ослабление вносимое стеной может быть существенно меньше ослабления экранированного оконного проема.

В работе приводятся результаты экспериментальных исследований ослабления радиоволн сплошными стенами различной толщины. Однако в настоящее время наружные стены зданий часто имеют слоистую структуру, например, «1-й слой кирпича – утеплитель – 2-й слой кирпича».

На рис. 11 представлены результаты измерения коэффициента прохождения через стену, состоящую из двух слоев кирпичной кладки толщиной 12 см и 9 см и воздушного пространства между ними 15 см (сплошная линия на рисунке). Необходимо отметить, что при проведении экспериментов использовалась модельная сухая стена, выполненная в виде внутренней перегородки здания. Для сравнения на рис. 11 также приведены усредненные значения коэффициента прохождения через сплошную внутреннюю кирпичную стену, полученные в работе и пересчитанные для толщины кирпичной кладки равной 21 см (штриховая линия).

Рис. 11. Коэффициент прохождение радиоволн через стену

Анализ рис. 11 показывает, что частотная зависимость коэффициента прохождения имеет осциллирующий характер, который обусловлен многочисленными преотражениями между двумя слоями кирпичной кладки. При этом на частотах выше 10 ГГц средний уровень коэффициента прохождения почти не меняется и даже несколько возрастает. При одинаковой суммарной толщине кирпичной кладки двухслойная стена вносит большее ослабление по сравнению с однослойной, что объясняется дополнительными потерями на отражение от границ раздела сред «воздух – кирпич» и «кирпич – воздух» при прохождении волны через второй слой стены.

Выводы.

Проведены экспериментальные исследования ослабления радиоволн при их прохождении через стену с оконным проемом. Экспериментально показано, что на частотах 3-12 ГГц ослабление радиоволн стеклопакетом весьма существенно вследствие значительного отражения радиоволн слоем стекла. При использовании экранирующих материалов недостаточно данных о коэффициентах прохождения сквозной волны, полученных в лабораторных условиях. На реальных трассах распространения радиоволн наряду со сквозной необходимо учитывать дифракционную компоненту, которая может вносить значительный вклад в результирующее поле. При размещении экранирующих материалов перед окном необходимо учитывать многочисленные отражения радиоволн в резонаторе «стеклопакет – экранирующий материал», которые приводят к существенным изменениям экранирующих свойств материалов.

Литература

1. Propagation data and prediction methods for the planning of short-range outdoor radiocommunication systems and radio local area networks in the frequency range 300 MHz to 100 GHz . Recommendation ITU-R P.1411-6, Geneva (02/2012).

2. Propagation data required for the design of broadcasting-satellite systems. Recommendation ITU - R P .679-3, (02/2001).

3. Металлизированная электропроводящая ткань Метакрон для защиты от излучений [Электронный ресурс]: ООО НПП «Техностиль». URL : http://www.metakron.ru

4. Радиоэкранирующие материалы [Электронный ресурс]: ООО НПП «Радиострим». URL: http://www.radiostrim.ru/ 100-screen.html .

5. А. И. Рыжов, В. А. Лазарев, Т. И. Мохсени, Д. В. Никеров, Ю. В. Андреев, А. С. Дмитриев, Н. П. Чубинский. Ослабление сверхширокополосных хаотических сигналов диапазона 3–5 ГГц при прохождении через стены зданий. // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2012. N5. URL: http://сайт/jre/may12/1/text.pdf.

Многие люди, не обладая элементарными понятиями о видах энергии, их свойствах, часто рассуждают о способах беспроводной передачи энергии на расстояния. Другие, не зная, как распространяются радиоволны, изготавливают антенны к своим радиопередатчикам и радиоприемникам, пытаясь добиться максимальных характеристик передачи и приема, но у них ничего не получается. Одни читают умные книги, а другие основываются на опыте, или совете малограмотного товарища. Для того, чтобы развеять хотя бы часть заблуждений и дать представление об электромагнитных волнах и как их виде – радиоволнах посвящена эта статья.

Как обычно, я не буду расписывать формул Максвелла, Фарадея и других известных деятелей науки. Их в огромном количестве имеется в учебниках физики, читая которые, даже я – имеющий образование и опыт работы в радиоэлектронике не понимаю, почему в этих учебниках приводятся заумные формулы, а простейшая, имеющая полезное практическое значение информация отсутствует? Ведь на следующий день, или неделю после окончания школы, ученик эти формулы не вспомнит, а простых понятий, как не знал, так и знать не будет.

Начнём с того, что великий изобретатель-практик электрических машин Никола Тесла активно использовал в своих экспериментах электромагнитные колебания, про которые раньше никто не знал, и как мы знаем теперь из учебников физики средней школы — порождают вид электромагнитных волн — радиоволны. Но повторюсь, во времена Теслы о существовании электромагнитных волн никто не знал. Интуитивно, путём наблюдений, Тесла понимал, что в результате его экспериментов в окружающем пространстве появляется какой-то вид энергии. Но в те времена не существовало такой науки и оборудования позволяющего раскрыть понятие электромагнитных волн. Поэтому, это явление рассматривалось как философская категория, которую Тесла называл — эфиром .

Нынче рассуждают, что «эфир» и электромагнитные волны это разные понятия. Они совершенно не правы лишь потому, что абсолютно все изобретения Теслы основаны на использовании обыкновенного переменного электрического тока и электромагнитных полей, которые в свою очередь и порождают не «эфир», а самые обыкновенные электромагнитные волны в радиочастотном диапазоне. Именно то, что в настоящее время называется электромагнитными волнами, в те времена Никола Тесла называл эфиром. Других вариантов объяснений быть не может. Можно долго рассуждать о том, что это разные понятия. Например, кто то с пеной у рта пытается доказать что скорость распространения эфира больше скорости света, а доказательная база отсутствует. С помощью какого эксперимента Никола Тесла мог измерить скорость эфира? Нигде такой информации нет. Вывод один, он её не измерял, а лишь предполагал. Вы скажете, что эфир несёт в себе энергию? Отвечу, любая электромагнитная волна несёт в себе энергию! Мне попадались практические схемы радиоприёмников без батареек, предназначенные не для работы на наушники или динамическую головку, а для получения постоянного электрического тока «из воздуха» теми жителями мегаполисов, которые живут рядом с мощными телерадиоцентрами.

– синусоидальное электромагнитное колебание в пространстве. Общепринятое сокращение – ЭМВ . Электромагнитная волна – это свет, тепловые лучи невидимого инфракрасного диапазона, рентгеновские лучи и радиоволны. Разница лишь в мощности колебаний и длине волны. В частности Тесла имел дело с радиоволнами. Фактически он и является изобретателем радио, а не Маркони с Поповым. Последние смогли описать радиоволны, поэтому их и считают изобретателями радио. Тесла был первооткрывателем, но у него в те времена не было научных объяснений, которые намного позже появились у Попова и Маркони. Кроме того, они использовали радиоволны в практических полезных целях. Тесла, в своё время писал о переносе информационного сигнала с помощью передатчика и приемника, но увлёкшись молниями, дойти до изобретения их практических устройств просто не успел. Резонный вопрос, а что же колеблется в электромагнитных волнах? Отвечу, далеко не углубляясь в ядерную физику, это фотоны – сгустки энергии, обладающие электромагнитным полем, но не обладающие массой. Именно эти свойства позволяют фотонам быть переносчиками энергии. Учёные-ядерщики и дальше «раскладывают» фотоны на составляющие элементы. Мы не будем продолжать этот ход мыслей, пожелаем им успехов, потому что это не по теме статьи. Если Вы противник считать что «эфир», это – электромагнитные волны, тогда попытайтесь принять, что «эфир» это – фотоны, а электромагнитные волны, это по своей сути — направленный поток фотонов.

Источником радиоволны может быть любой электрический проводник, в котором движется переменный электрический ток. На практике, источником радиоволны является высокочастотный генератор, колебательная энергия которого, распространяется в пространство через радиоантенну. Первым действующим источником радиоколебаний, изобретённым человеком и используемым с очевидным и рациональным успехом, был радиопередатчик-радиоприёмник Маркони (или Попова), использующий в качестве высокочастотного генератора – высоковольтный накопитель с искровым разрядником, подключенным на антенну — обыкновенный вибратор Герца.

Свойства распространения электромагнитных волн

Дальность распространения электромагнитной волны зависит от частоты колебания переменного электрического тока (электромагнитного колебания). На частотах от единиц до тысяч Герц, соответствующих звуковому диапазону волн, электромагнитная волна, созданная в пространстве с помощью индуктивности, распространяется на расстояние, не превышающее одного-двух десятков метров, поэтому полезного практического применения не имеет. На частотах от сотен килогерц и выше, что соответствует диапазонам радиоволн, электромагнитная волна способна распространяться более чем на тысячи километров.

Дальность распространения электромагнитной волны так же зависит от мощности протекающего по проводнику тока. Как было указано ранее, низкочастотная электромагнитная волна полезного практического применения не имеет, но зато имеет вредное влияние. В качестве примера вредного влияния можно привести влияние высоковольтной линии электропередач (ЛЭП) с напряжением в несколько десятков тысяч вольт на радиоприёмник проезжающего мимо автомобиля. Вокруг высоковольтных проводов формируется мощное электромагнитное поле, которое значительно превосходит по амплитуде электромагнитные колебания удалённых радиостанций и в приемнике вместо радиостанции слышен низкочастотный гул сетевого напряжения. Другой случай, когда происходит «глушение» радиоприёмника вблизи силовых линий электропередач при сетевом напряжении всего в 380 вольт, но токе свыше 100 ампер. В первом случае у нас большое напряжение, а во втором — большой ток. Из учебника физики средней школы известно, что мощность электрического тока в проводнике связана с напряжением и током через выражение Р=U*I . А чем больше мощность, тем дальше распространение электромагнитного поля и как следствие – электромагнитной волны, образуемой электромагнитным полем. Этим и объясняется влияние мощности на дальность распространения.

Почему волна, про которую здесь пишется, называется электромагнитной? Потому, что она состоит из электрического и магнитного синусоидального колебания. Эти два вида колебаний ориентированы в пространстве друг относительно друга перпендикулярно – ровно на 90 градусов.
Когда электрическая волна «горизонтальна» — сориентирована параллельно линии горизонта, а магнитная волна соответственно «вертикальна» — сориентирована перпендикулярно линии горизонта, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет линейную горизонтальную поляризацию .

Когда электрическая волна «вертикальна» — сориентирована перпендикулярно линии горизонта, а магнитная волна соответственно «горизонтальна» — сориентирована параллельно линии горизонта, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет линейную вертикальную поляризацию .

Если электрическая волна (соответственно и магнитная волна) имеет наклон относительно линии горизонта – угол не равный нулю или 90 градусов, тогда говорят, что электромагнитная волна имеет линейную наклонную поляризацию .

Существует так же другой вид поляризации, используемый для повышения дальности передачи (приема) и лучшей помехозащищённости радиоприёмной аппаратуры – круговая поляризация – вид поляризации электромагнитной волны, при котором за один период электромагнитного колебания радиоволна делает полный оборот на 360 градусов. Один из видов круговой поляризации – эллиптическая поляризация — «приплюснутая» в одной из плоскостей круговая поляризация.

Все указанные виды поляризации определяются устройством и ориентированием радиоантенны.

Практическая важность поляризации заключается в том, что если радиопередатчик и радиоприемник настроены на одну и ту же частоту, но имеют разную поляризацию, например у передатчика вертикальная, а у приемника – горизонтальная, то радиосвязь будет плохой, или её вообще не будет.

Примером использования поляризации света – как вида электромагнитных колебаний является 3D-кинотеатр. Принцип действия систем 3D-видеоизображения основан на следующем: Фильм снимается на кинокамеры (видеокамеры) разнесённые в пространстве, как два глаза человека. При его показе в кинотеатре, два независимых проектора закрываются поляризационными светофильтрами, точно такие же светофильтры в виде плёнок стоят в очках кинозрителей. Правый проектор и правый глаз зрителя прикрыты светофильтром с вертикальной поляризацией, а левый проектор и глаз – фильтром с горизонтальной поляризацией. Таким образом, правый глаз видит картинку от правого проектора, а левый глаз от левого. В качестве фильтров могут использоваться и другие варианты разделения световых волн, но статья не об этом, поляризация света – один из способов селекции электромагнитных волн.

Электромагнитные волны (радиоволны) распространяются в разных средах с разной скоростью. Скорость распространения радиоволн в вакууме приблизительно равна скорости света 300 000 км/сек . В воздухе радиоволны распространяются с чуть меньшей скоростью, но не на много, поэтому принимается та же цифра – 300 000 км/сек. Поскольку обыкновенная вода обладает электропроводностью, то её поверхность для радиоволн является отражателем, а часть энергии радиоволн тратится на нагрев поверхностных слоев воды. Типичным примером этому является микроволновая печь, разогревающая молекулы воды, содержащиеся в подогреваемой пище. Металлы не пропускают радиоволны, отражая всю энергию электромагнитных колебаний.

Немаловажным, являются свойства радиоволн распространяться в зависимости от их длины волны. Напомню, длина электромагнитной волны связана с частотой колебаний через скорость её распространения в вакууме (скорость света):

где: f – частота, λ – длина волны, с – скорость света, равная 300 000 км/сек.

Радиоволны подразделяются на несколько диапазонов:

Сверхдлинные «СДВ» – частотой 3 – 30 кГц, с длиной волны 100 — 10 км;

Длинные «ДВ» – частотой 30 – 300 кГц, с длиной волны 10 — 1 км;

Средние «СВ» – частотой 300 – 3000 кГц, с длиной волны 1000 — 100 метров;

Короткие «КВ» – частотой 3 – 30 МГц, с длиной волны 100 — 10 метров;

Ультракороткие «УКВ» , включающие:

— метровые «МВ» – частотой 30 – 300 МГц, с длиной волны 10 — 1 метра;

— дециметровые «ДМВ» – частотой 300 – 3000 МГц, с длиной волны 10 — 1 дм;

— сантиметровые «СМВ» – частотой 3 – 30 ГГц, с длиной волны 10 — 1 см;

— миллиметровые «ММВ» – частотой 30 – 300 ГГц, с длиной волны 10 — 1 мм;

— субмиллиметровые «СММВ» – частотой 300 – 6000 ГГц, с длиной волны 1 – 0,05 мм;

Диапазоны от дециметровых, до миллиметровых волн, из-за их очень высокой частоты называют сверхвысокими частотами «СВЧ» .

Естественно все перечисленные диапазоны радиоволн, как отечественные, так и буржуйские могут подразделяться на поддиапазоны.

Для передачи информации радиоволну необходимо модулировать сигналом содержащим информацию. Длинные, средние и короткие волны обычно имеют амплитудную модуляцию, что на английском звучит — amplitude modulation «АМ» . Ультракороткие волны обычно имеют частотную модуляцию, что на английском звучит — frequency modulation , и у буржуев обозначаются как — «FМ» (по нашему «ЧМ» ).

Кроме деления радиоволн на диапазоны необходимо добавить, что в зависимости от направления и путей распространения радиоволн, они бывают поверхностные (земные) (1) – распространяющиеся вдоль земной поверхности от радиопередатчика, до приемника, без использования верхних слоев атмосферы и пространственные (2) – распространяющиеся через верхние слои атмосферы и с отражением от ионосферы (3).

Существует понятие, чем выше длина волны (меньше частота), тем она больше способна огибать препятствия. И наоборот, чем короче длина волны (выше частота), тем прямолинейнее(лучше по прямой) радиоволна распространяется.

Длинные волны способны распространяться вдоль поверхности земли и воды, но едва достигают ионосферы. Это свойство используется для организации связи с морскими судами – связь имеется практически в любой точке моря.

Средние волны распространяются вдоль поверхности земли и воды, а также отражаются ионосферой.

Короткие волны распространяются «скачками», периодически отражаясь от ионосферы и земной поверхности.

Ультракороткие волны и более высокие частоты распространяются прямолинейно, как свет от любого источника света, они не способны изгибаться вдоль земного шара, а ионосфера для них прозрачна.

Простым примером использования длинноволнового диапазона является радиосвязь с подводными лодками. Для того, чтобы не быть замеченной противником выходя на связь с командованием флота, лодка всплывает на очень короткое время. Но если бы волны, используемые для связи с подводной лодкой распространялись бы «скачками», то не в любой точке земного шара была бы связь. А на практике, в каком бы месте земного шара лодка бы не всплыла, связь появляется сразу. Конечно в последнее время с развитием техники, подводные лодки используют различные диапазоны, в том числе космическую связь (через спутники связи) на СВЧ-диапазоне.

Примером использования радиоволн диапазонов УКВ, ДМВ и СМВ является импульсная радиолокация, где свойство прямолинейного распространения радиоволн этих диапазонов используется для точного определения пространственных координат самолётов, стай птиц и других воздушных объектов. Даже проводится разведка погоды – уровня и интенсивности облачности на больших расстояниях.

От одного и того же радиопередающего устройства радиоволны отраженные от земной поверхности могут встретиться с неотражёнными волнами, или волнами, отражёнными от другого участка земной поверхности, или верхних слоёв атмосферы. В этом случае, происходит синфазное сложение радиоволн , или противофазное вычитание . В результате, в вертикальной плоскости пространства образуется изрезанная косекансная диаграмма направленности антенны. При синфазном переотражении радиоволн от земной поверхности на этих участках образуются зоны максимального переотражения – зоны Френеля . Если радиопередатчик имеет всенаправленную антенну (например штыревую), то зоны Френеля будут представлять из себя много колец на поверхности земли различного диаметра, в центре которых находится антенна. Диаметр колец может быть от десятков метров, до нескольких километров.

Для Вашей эрудиции: До военной агрессии в Югославии, американцы придавали большое значение противорадиолокационным ракетам, как средству уничтожения радаров противника. Противорадиолокационная ракета имеет самонаводящуюся радиоголовку, которая наводит ракету на сигнал радара. Но после этой своей миротворческой операции по превращению Югославии в марионеточное государство, они стали перевооружаться на ракеты с тепловыми головками самонаведения. Оказалось, что головки самонаведения противорадиолокационных ракет наводились на зоны Френеля, которые у вращающегося радара всё время меняются, в результате чего вычислитель ракеты не правильно определял координаты радара, и в лучшем случае ракета падала в одну из зон Френеля. Так, купленный у Советского Союза ещё в 80-х годах радар метрового диапазона волн, более 50 суток войны надежно обеспечивал Югославские ПВО информацией о полётах американцев. С его помощью был сбит не один чудо-самолёт-невидимка звёздно-полосатых. А по телевизору как обычно – врали, что американцы потерь не несут.

Сильное влияние на распространение радиоволн оказывают препятствия. Как правило, препятствия обладают отражающим свойством. В качестве препятствий могут выступать различные предметы как природного, так и искусственного происхождения. Как было написано ранее, радиоволны отражаются от земной поверхности. Стоит отметить, что если грунт сильно сухой (например в пустыне), то отражение радиоволн намного хуже, чем когда земля сырая от дождя. Так, расстояние связи у одной и той же аппаратуры связи на море на 50 – 70 процентов больше, чем на суше. Отражают радиоволны деревья и облака. Перечисленные естественные препятствия являются хорошими отражателями, потому, что в их состав входит вода. К искусственным препятствиям, отражающим радиоволны относятся различные металлические конструкции, в том числе арматура зданий и сооружений.

Влияние типа используемой антенны на качество и направленность приема (излучения) радиоволн

Куда и как будет распространяться радиоволна, определяется размерами и формой антенны-излучателя радиоволн. Самой простой радиоантенной является Вибратор Герца . Это элементарный «кубик», который является основой для построения всех типов антенн.

Вибратор Герца – это два проводника, расходящиеся в противоположные стороны от «точки подключения энергии». По своей сути это «развернутый» колебательный контур. Для лучшего излучения радиосигнала, расстояние от конца одного проводника до конца другого должно быть равно половине длины волны излучаемого (или принимаемого) электромагнитного колебания. Это необходимо для того, чтобы на концах вибратора была максимальная разность потенциалов напряжения сигнала, а в центре вибратора – максимальная амплитуда тока. Правда необходимо использовать коэффициент укорочения, который учитывает скорость распространения электрического сигнала по поверхности проводников, которая намного меньше чем в вакууме. В зависимости от частоты сигнала и металла, из которого изготовлен вибратор коэффициент укорочения может быть в пределах от 0,65 до 0,85. То есть вибратор должен быть равен половине длины волны, помноженной на коэффициент укорочения.

Для уменьшения габаритов антенны иногда используется вибратор, по длине равный одной четвёртой длины волны. Могут использоваться и другие соотношения, но при этом, качество приёма (передачи) и направленные свойства антенны изменяются.

Диаграмма направленности полуволнового вибратора имеет форму тороида вращения – форму «бублика». Если вибратор расположить горизонтально относительно земли, то зоны максимального приема (передачи) будут на линии перпендикулярной вибратору, а зоны минимального приема по торцовым сторонам вибратора. Но учтите, это без учёта влияния переотражения от земли. Если учитывать влияние переотражения от земной поверхности, проекция диаграммы направленности антенны (ДНА) вибратора окажется слегка вытянутой в направлениях максимумов.
На рисунке изображены тороид вращения и проекция диаграммы направленности антенны на горизонтальную поверхность с учётом влияния земли.

– это видоизменённый вибратор Герца, у которого в качестве одного проводника используется сам штырь, а в качестве другого противовес – кусок свисающего вниз провода, человек, у которого в руках мобильная рация, или поверхность земли. Диаграмма направленности штыревой антенны, это тот же торроид, находящийся в горизонтальной площади, только за счёт отражения от земли торроид приплюснут снизу. Зона максимального приёма будет во все стороны, а минимального – над штыревым вибратором. Зону минимального приема, находящуюся над антенной называют – мёртвая зона , или мёртвая воронка .

В зависимости от соотношения длины штыревой антенны к длине волны, диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости так же изменяется. На рисунке схематично изображено, влияние отношения длины штыря к длине волны на формирование диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.

Вспомните практическую важность поляризации ЭМВ — если радиопередатчик и радиоприемник настроены на одну и ту же частоту, но имеют разную поляризацию, например у передатчика вертикальная, а у приемника – горизонтальная, то радиосвязь будет плохой. К этому стоит добавить диаграмму направленности штыревой антенны, и тогда на примере двух радиотелефонов — переносных радиостанций (1 и 2) изображённых на рисунке ниже, можно сделать логическое заключение:

Если антенны радиопередатчика и радиоприемника ориентированы в пространстве относительно горизонта одинаково и диаграммы направленности антенн максимумами направлены друг на друга, то связь будет наилучшей. Если не выполняется одно из указанных условий, то связи либо не будет, либо она будет плохой.

На дальность радиосвязи также влияет ещё один параметр – толщина элементов вибратора, чем она больше, тем антенна широкополоснее – диапазон хорошо принимаемых частот шире, но уровень сигнала практически на всех частотах уменьшается. Это связано с тем, что дипольная антенна – это тот же колебательный контур, а при расширении полосы частот АЧХ резонанса, амплитуда резонанса уменьшается. Поэтому не удивляйтесь, что телевизионная антенна, сделанная из пивных алюминиевых банок в городе, где уровень сигнала телевизионной вышки большой, принимает телевизионный сигнал разных каналов не хуже, а зачастую лучше сложной профессиональной антенны.

Хорошие профессиональные радиоантенны обладают показателем – коэффициентом усиления антенны . Ведь обычный полуволновой вибратор не усиливает сигнал, его действие избирательно – на определённой частоте, в определённых направлениях и определённой поляризации. Чтобы в приемнике было меньше помех, увеличить дальность приема-передачи, одновременно при этом сузить диаграмму направленности антенны (общепринятое название — ДНА), простой полуволновой вибратор не годится. Антенну усложняют.

Ранее, я писал о влиянии различных препятствий — их отражательном свойстве. Если препятствие по своим размерам не соизмеримо (на порядок меньше) с длиной радиоволны, тогда это не является для радиосигнала препятствием, оно никак на него не влияет. Если препятствие находится в плоскости параллельной электрической волне и больше длины волны, тогда это препятствие отражает радиоволну. Если препятствие по протяженности кратно (равно четверти, половине или целой) длине волны, сориентировано параллельно электрической волне и перпендикулярно направлению распространения волны, тогда это препятствие действует как резонансный колебательный контур на целой длине волны или её гармониках, и имеет наибольшие отражательные свойства.

Именно эти описанные выше свойства и используются в сложных антеннах. Так, один из вариантов улучшения приемных свойств антенны является установка дополнительного рефлектора (отражателя), принцип действия которого основывается на отражении радиоволны и синфазного сложения двух сигналов – от телецентра (ТЦ) и от рефлектора. Диаграмма направленности при этом сужается и вытягивается. На рисунке изображена антенна, состоящая из петлевого полуволнового вибратора(1) и рефлектора(2). Длина вибратора (А) этой телевизионной антенны выбирается равной половине длины волны среднего телевизионного канала, помноженную на коэффициент укорочения. Длина рефлектора (Б) выбирается равной половине длины волны минимального телевизионного канала (с максимальной длиной волны). Расстояние между вибратором и рефлектором (С) выбирается таким, чтобы происходило синфазное сложение прямого и отражённого сигнала – половине длины волны.

Следующий способ дальнейшего усиления приемного сигнала путём сужения и вытягивания ДНА – добавление пассивного вибратора – директора . Принцип действия всё на том же синфазном сложении. Диаграмма направленности при этом ещё сильнее сужается и вытягивается. На рисунке изображена антенна «волновой канал» , состоящая из рефлектора (1), петлевого полуволнового вибратора (2) и одного директора (3). Дальнейшее добавление директоров ещё сильнее сужает и вытягивает диаграмму направленности. Длина директоров (В) выбирается чуть меньше длины активного вибратора. Для увеличения коэффициента усиления антенны и её широкополосности, перед активным вибратором добавляются директоры с постепенным уменьшением их длины. Обратите внимание, что длина активного вибратора равна половине средней длине волны принимаемого сигнала, длина рефлектора – больше половины длины волны, а длина директора – меньше половины длины волны. Расстояния между элементами выбирается также около половины длины волны.

В профессиональной технике часто применяется способ сужения ДНА и повышения усилительных свойств антенны – фазированная антенная решётка , в которой параллельно подключается несколько антенн (например простых диполей, или антенн типа «волновой канал»). В результате происходит сложение токов соседних каналов, и как результат – повышение мощности сигнала.

На сверхвысоких частотах в качестве вибратора антенны применяют волновод, а в качестве рефлектора применяют сплошное полотно, все точки которого равноудалены от плоскости вибратора (на одинаковом расстоянии) – параболоид вращения , или в простонародье – «тарелка». Такая антенна обладает очень узкой диаграммой направленности и высоким коэффициентом усиления антенны.

Выводы на основе распространения и сложности формирования радиоволн

Как и куда распространяются радиоволны можно рассчитать с помощью умных формул и преобразований только для идеальных условий – при отсутствии естественных препятствий. Для этого, элементы антенн, различные поверхности должны быть идеально ровные. На практике, из-за влияния многих факторов преломления и отражения, ещё ни один «учёный мозг» не смог с высокой достоверностью рассчитать распространение радиоволн в естественных природных условиях. Существуют области пространства уверенного приема и зоны радиотени – там, где прием вовсе отсутствует. Только в кино альпинисты не отвечают на вызов по радиосвязи потому, что у них заняты руки, или они сами заняты «спасением мира», на самом деле радиосвязь – дело не устойчивое и чаще альпинисты не отвечают потому, что связи просто нет – отсутствует прохождение радиоволн. Именно зависимость радиосвязи от природных явлений (дождь, низкая облачность, разряженность атмосферы и т.д.) привела к возникновению понятия «радиолюбитель» . Это сейчас понятие «радиолюбитель» – человек, который любит паять радиосхемы. Лет двадцать назад это был «связист-коротковолновик», который на изготовленном своими руками маломощном трансивере связывался с другим радиолюбителем (или по другому — радиокорреспондентом), находящимся на другой стороне Земли, за что получал «бонусы». Раньше даже проводились соревнования по радиосвязи. Нынче тоже проводятся, но с развитием техники это стало не так актуально. Среди этих радиолюбителей-связистов есть много недовольных тем, что обыкновенные «паялы», не сидящие в наушниках в поисках радиокорреспондентов для организации радиообмена, называют себя радиолюбителями.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН - процесс передачи в пространстве эл--магн. радиодиапазона (см. Радиоволны ).В естеств. условиях Р. р. происходит в разл. средах, напр. в атмосфере, космич. плазме, в поверхностном слое Земли.

Общие закономерности распространения радиоволн . Скорость Р. р. в свободном пространстве в вакууме равна с. Полная энергия, переносимая радиоволной, остаётся постоянной, а плотность потока энергии убывает с увеличением расстояния r от источника обратно пропорционально r 2 . Р. р. в др. средах происходит с фазовой скоростью, отличающейся от с , и в равновесной среде сопровождается поглощением эл--магн. энергии. Оба эффекта объясняются возбуждением колебаний электронов и ионов среды под действием электрич. поля волны. Если напряжённость поля E гармонич. волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на заряды в самой среде (напр., на электрон в атоме), то колебания происходят также по гармонич. закону с частотой w пришедшей волны. Колеблющиеся электроны излучают вторичные радиоволны той же частоты, но с др. амплитудами и фазами. В результате сложения вторичных волн с приходящей формируется результирующая волна с новой амплитудой и фазой. Сдвиг фаз между первичной и переизлучёнными волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атомами являются причиной поглощения радиоволн .

Амплитуда волны убывает с расстоянием по закону а фаза волны изменяется по закону y = wt - (w/с)nr , где x - показатель поглощения, n - преломления показатель ; n и x зависят от диэлектрической проницаемости e среды, её проводимости s и частоты волн w:

гденаз. тангенсом угла потерь. Фазовая скорость u = с/n , коэф. поглощения Среда ведёт себя как диэлектрик , если и как проводник, еслиВ первом случае во втором -и волна затухает на расстояниях - толщина скин-слоя (см. Скин-эффект) . В среде e ц s являются ф-циями частоты (см. Дисперсия волн) . Вид частотной зависимости е и s определяется структурой среды. Дисперсия радиоволн особенно существенна в тех случаях, когда частота волны близка к характерным собств. частотам среды (напр., при Р. р. в ионосферной и космич. плазме, см. ниже).

При Р. р. в средах, не содержащих свободных электронов (тропосфера, толща Земли), происходит смещение связанных электронов в атомах и молекулах среды в сторону, противоположную полю волны Е , при этом n > 1, u Ф < с . В плазме поле волны вызывает смещение свободных электронов в направлении E , при этом n < 1 и u Ф > с, т. е. фазовая скорость монохро-матич. волны может быть как меньше, так и больше с . Однако для того чтобы передать при помощи радиоволн к--л. информацию (энергию), необходимо иметь ограниченный во времени радиосигнал, представляющий собой нек-рый набор гармонич. волн. Спектральный состав сигнала зависит от его длительности и формы. Радиосигнал распространяется с групповой скоростью u гр. В любой среде u гр < с .

В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно, подобно световым лучам. Процесс Р. р. в этом случае подчиняется законам геометрической оптики . Однако реальные среды неоднородны. В них п , а следовательно, и u Ф различны в разных участках среды, что приводит к рефракции радиоволн . В случае плавных (в масштабе l) неоднородности справедливо приближение геом. оптики. Если показатель преломления зависит только от высоты h , отсчитываемой от сферической поверхности Земли, то вдоль траектории луча выполняется условие

Соотношение (2) представляет собой Снелля закон преломления для сферическислоистой среды. Здесь R 0 - радиус Земли, f - угол наклона луча к вертикали в произвольной точке траектории. Если вместо действит. показателя преломления га ввести приведённый показатель преломления

то закон преломления (2) получит вид

Соотношение (4) наз. законом преломления Снелля для плоскослоистой среды.

Если n убывает при увеличении h , то в результате рефракции луч, по мере распространения, отклоняется от вертикали и на нек-рой высоте h m становится параллельным горизонтальной плоскости, а затем распространяется вниз (рис. 1, а). Макс. высота h m , на к-рую луч может углубиться в неоднородную плоскослоистую среду, зависит от угла падения f 0 и определяется из условия

Рис. 1. а - рефракция радиоволн в плоскослоистой среде с grad n < 0; б - зависимость квадрата амплитуды напряжённости электрического поля радиоволны от высоты h .

В область h > h m лучи не проникают, и, согласно приближению геом. оптики, волновое поле в этой области должно быть равно 0. В действительности вблизи плоскости h = h m волновое поле возрастает, а при h > h m убывает экспоненциально (рис. 1, б) . Нарушение законов геом. оптики при Р. р. связано также с дифракцией волн , вследствие к-рой радиоволны могут проникать в область геом. тени. На границе области геом. тени образуется сложное распределение волновых полей. радиоволн возникает при наличии на их пути препятствий (непрозрачных или полупрозрачных тел) и особенно существенна в тех случаях, когда размеры препятствий сравнимы с l.

Если Р. р. происходит вблизи резкой границы (в масштабе l) между двумя средами с разл. электрич. свойствами (напр., атмосфера - поверхность Земли или тропосфера - ниж. граница ионосферы для достаточно длинных волн), то при падении радиоволн на резкую границу образуются отражённая и преломлённая (прошедшая) радиоволны. Если отражение происходит от границы проводящей среды (напр., от поверхностного слоя Земли), то глубина проникновения в него определяется толщиной скин-слоя.

В неоднородных средах возможно волноводное распространение радиоволн , при к-ром происходит локализация потока энергии между определ. поверхностями, за счёт чего волновые поля между ними убывают с расстоянием медленнее, чем в однородной среде (атм. волновод). В средах с плавными неоднородностями локализация связана с рефракцией, а в случае резких границ - с отражением.

В среде, содержащей случайные локальные неоднородности, вторичные волны излучаются беспорядочно в разл. направлениях. Рассеянные волны частично уносят энергию исходной волны, что приводит к её ослаблению. При рассеянии на неоднородностях размером l l (т. н. рассеяние Рэлея; см. Рассеяние света )рассеянные волны распространяются почти изотропно. В случае рассеяния на крупномасштабных прозрачных неоднородностях рассеянные волны распространяются в направлениях, близких к исходной волне. При l ! l возникает сильное резонансное рассеяние.

Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн определяется как электрич. параметрами e и s грунтов и водных пространств, образующих земную кору, так и структурой поверхности Земли, т. е. её кривизной и неоднородностью. Р. р.- процесс, захватывающий большую область пространства, но наиб. существ. роль в Р. р. играет область, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах к-рого A и B на расстоянии r расположены передатчик и приёмник (радиотрасса, рис. 2). Большая ось эллипсоида равнамалая ось определяется размерами первой Френеля зоны и Ширина трассы уменьшается с убыванием l. Если высоты z 1 и z 2 , на к-рых расположены антенны передатчика и приёмника над поверхностью Земли, велики по сравнению с l, то эллипсоид не касается поверхности Земли и она не влияет на Р. р. (рис. 2, а) . При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы (или увеличении длины волны) поверхность Земли пересекает эллипсоид. В этом случае на Р. р. оказывают влияние электрич. параметры области поверхности Земли, ограниченной эллипсом сечения, вытянутым вдоль трассы. При сохранении условий и в точке приёма возникает между прямой и отражённой волнами (см. Интерференция волн ).Амплитуда и фаза отражённой волны определяются с учётом Френеля формул для коэф. отражения. Интерференционные максимумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля, к-рая характерна для декаметровых и более коротких радиоволн. Если z 1 /l < 1 и z 2 /l < 1, то радиотрасса выделяет участок поверхности Земли, ограниченный эллипсом с осями r + l(p/4) и

Рис. 2. Эллипсоидальная область пространства, существенная при распространении радиоволн (радиотрасса); А - излучатель; В - приёмник.

Уменьшение напряжённости поля, а следовательно, и потока энергии, переносимого радиоволной вдоль поверхности Земли (земной волной) , обусловлено проводимостью поверхности в этой области. При P.p. вдоль проводящей поверхности возникает поток энергии, направленный в проводящую среду и быстро затухающий по мере распространения в ней. Глубина проникновения радиоволны в земную кору определяется толщиной скин-слоя и, следовательно, увеличивается с увеличением длины волны. Поэтому для подземной и подводной радиосвязи используются длинные и сверхдлинные радиоволны.

Рис. 3. Дальность "прямой видимости" r ограничена выпуклостью земной поверхности; R 0 - радиус Земли, z 1 , и z 2 , - высоты передающей А и приёмной В антенн соответственно.

Выпуклость земной поверхности ограничивает расстояние, на к-ром из точки приёма В "виден" передатчик А (область "прямой видимости", рис. 3). Однако радиоволны, огибая Землю в результате дифракции, могут проникать в область тени на большее расстояние(R 0 - радиус Земли). Практически в эту область за счёт дифракции могут проникать только километровые и более длинные волны (рис. 4).

Рис. 4 . График, иллюстрирующий связь дальности r распространения от величины W = 20lg|E/E * | , где E - напряжённость поля радиоволны в реальных условиях распространения с учётом огибания выпуклости земной поверхности (излучатель расположен на поверхности Земли); Е * - напряжённость поля для разных частот без учёта дифракции.

Фазовая скорость земных волн вблизи излучателя зависит от электрич. свойств. Однако на расстоянии в неск. l от излучателя u ф! с . Если радиоволны распространяются над электрич. неоднородной поверхностью, напр. сначала над сушей, а затем над морем, то при нересечении береговой линии резко изменяются амплитуда и направление Р. р. (береговая рефракция, рис. 5).

Рис. 5. Изменение напряжённости электрического поля волны при пересечении береговой линии.

Влияние рельефа земной поверхности на Р. р. зависит от высоты неровностей h , их горизонтальной протяжённости l , l и угла q падения волны на поверхность. Если неровности достаточно малы и пологи, так что kh cosq < < 1 (k - волновое число), и выполняется т. н. критерий Рэлея k 2 l 2 cosq < 1, то они слабо влияют на Р. р. Влияние неровностей зависит также от поляризации волн. Напр., для горизонтально поляризованных волн оно меньше, чем для волн, поляризованных вертикально. Когда неровности не малы и не пологи, энергия радиоволны может рассеиваться (радиоволна отражается от них). Высокие горы и холмы с h > l "возмущают" волновое поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению прямых и отражённых волн. Вершина горы служит естеств. ретранслятором. Это существенно при распространении метровых радиоволн в гористой местности (рис. 6).

Распространение радиоволн в тропосфере. Тропосфера - область атмосферы, расположенная между поверхностью Земли и тропопаузой, в к-рой темп-pa воздуха обычно убывает с высотой (в тропопаузе темп-ра с высотой увеличивается). Высота тропопаузы на земном шаре неодинакова, над экватором она больше, чем над полюсами, а в средних широтах, где существует система сильных западных ветров, изменяется скачкообразно. Тропосфера состоит из смеси нейтральных молекул и атомов газов, входящих в состав сухого воздуха, и паров воды. Диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и показатель преломления газа, не содержащего свободных электронов и ионов, обусловлены дополнительными полями, создаваемыми смещением электронов в молекулах ( сухого воздуха) я ориентацией полярных молекул (пары воды) под действием электрич. поля волны.

Показатель преломления тропосферы

где p - давление сухого воздуха, е - давление водяного пара в миллибарах, Т - темп-pa. Показатель преломления не зависит от частоты и очень мало отличается от единицы. Так, у поверхности Земли с увеличением высоты происходит изменение параметров р, Т, е , определяющих значение показателей преломления. При нормальных метеорологич. условиях показатель преломления уменьшается с высотой:

Это приводит к искривлению траектории лучей. Для правильной оценки положения луча относительно поверхности Земли необходимо учитывать сферичность её поверхности, что можно сделать, вводя приведённый показатель преломления (3):

отличающийся от grad n не только по абс. величине, но и по знаку. В условиях нормальной тропосферной рефракции grad n пр > 0. В этом случае луч, вышедший из приподнятого над землёй излучателя под углом к вертикали, при распространении приближается к ней. При распространение лучей происходит в сторону уменьшающихся значений n пр. При этом, в зависимости от значений f 0 , луч может достигнуть поверхности Земли и отразиться от неё, достигнуть точки поворота, определяемой из условия (5), и при нек-ром значении угла f 0 точка поворота может лежать на поверхности Земли. В этом случае траектория луча является границей между областью, в к-рую могут попасть лучи, и областью тени. Нормальная тропосферная рефракция способствует увеличению области прямой видимости.

Метеорологич. условия существ. образом влияют на изменение показателя преломления, т. е. и на рефракцию радиоволн. Обычно в тропосфере давление воздуха н темп-pa С высотой уменьшаются, а давление водяного пара увеличивается. При нек-рых метеорологич. условиях, напр. при движении нагретого над сушей воздуха над более холодной поверхностью моря, темп-ра воздуха с высотой увеличивается, а давление водяного пара уменьшается (инверсия темп-ры и влажности). В этом случае показатель преломления изменяется с высотой не монотонно, т. е. dn пр /dh на нек-рой высоте может изменить знак. Если в интервале высот, определяемом толщиной слоя инверсии, то gradn np <0. В плоскослоистой среде с grad n пр < О лучи отражаются от высоты, определяемой из условия (5). В пространстве, ограниченном снизу поверхностью Земли, а сверху высотой, на к-рой dn пр /dh изменяет знак, возникают условия для волноводного распространения (рис. 7). В тропосферных волноводах, как правило, могут распространяться волны с l < 1 м.

Рис. 7. Траектории УКВ в тропосферном волноводе.

Поглощение радиоволн в тропосфере пренебрежимо мало для всех радиоволн вплоть до сантиметрового диапазона. Поглощение сантиметровых и более коротких волн резко увеличивается, когда частота волны w совпадает с одной из собств. частот колебаний молекул воздуха (резонансное поглощение). Молекулы получают от приходящей волны энергию, к-рая превращается в теплоту p только частично передаётся вторичным волнам. Известен ряд линий резонансного поглощения в тропосфере: l = 1,35 см, 1,5 см, 0,75 см (поглощение в парах воды) и l = 0,5 см, 0,25 см (поглощение в кислороде). Между резонансными линиями лежат области более слабого поглощения (окна прозрачности).

Ослабление радиоволн может быть также вызвано рассеянием на неоднородностях, возникающих при турбулентном движении воздушных масс (см. Турбулентность ).Рассеяние резко увеличивается, когда в воздухе присутствуют капельные неоднородности в виде дождя, снега, тумана. Почти изотропное рассеяние Рэлея на мелкомасштабных неоднородностях делает возможной радиосвязь на расстояниях, значительно превышающих прямую видимость (рис. 8). Т. о., тропосфера существенно влияет на распространение УКВ. Для декаметровых и более длинных волн тропосфера практически прозрачна, и на их распространение влияют земная поверхность и более высокие слои атмосферы.

Рис. 8. Рассеяние радиоволн на мелкомасштабных неоднородностях.

Распространение радиоволн в ионосфере. Ионосферу образуют верх. слои земной атмосферы, в к-рой газы частично (до 1%) ионизированы под влиянием УФ-, рентг. и корпускулярного солнечного излучения. Ионосфера электрически нейтральна, она содержит равное кол-во положит. и отрицат. частиц, т. е. является плазмой. Достаточно большая ионизация, оказывающая влияние на Р. р., начинается на высоте 60 км (слой D ), увеличивается до высоты 300-400 км, образуя слои Е. F 1 , F 2 , и затем медленно убывает. В гл. максимуме концентрация электронов N достигает 10 6 см -3 . Зависимость N от высоты меняется со временем суток, года, с солнечной активностью, а также с широтой и долготой. Ионизиров. слой между 200 и 400 км состоит в осн. из равного кол-ва ионов О + и электронов. Эти частицы погружены в нейтральный газ с концентрацией 10 8 см -3 , состоящий в осн. из частиц О 2 , О, N 2 и Не.

В многокомпонентной плазме, содержащей электроны, ионы и нейтральные молекулы и пронизанной магн. полем Земли (см. Земной магнетизм) , могут возникать разл. виды собств. колебаний, имеющих разные частоты. Напр., плазменные (ленгмюровские) частоты электронов и ионов ги-ромагн. частоты электронов и ионов где т, М - массы электрона и иона, е - их заряд, N - концентрация, Н 0 - напряжённость магн. поля Земли. Т. к. то . Напр., для электронов=1,4 МГц, а для ионов атомарного кислорода= 54 Гц.

В зависимости от частоты w радиоволны осн. роль в Р. р. играют те или др. виды собств. колебаний, поэтому электрич. свойства ионосферы различны для разных участков радиодиапазона. При высоких w ионы не успевают следовать за изменениями поля и в Р. р. принимают участие только электроны. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы происходят в про-тивофазе с действующей силой и вызывают поляризацию плазмы в сторону, противоположную электрич. полю волны Е. Поэтому диэлектрич. проницаемость ионосферы e < 1. Она уменьшается с уменьшением частоты: Учёт соударений электронов с атомамии ионами даёт более точные ф-лы для e и s ионосферы:

Здесь v - эфф. частота соударений. Для декаметровых и более коротких волн в большей части ионосферы и показатели преломления h и поглощения приближённо равны:

Поскольку h < 1, фазовая скорость Р. р. УФ = = с/п > с , групповая скорость u гр = с/n < с .

Поглощение в ионосфере пропорц. v, т. к. чем больше число столкновений, тем большая часть энергии, получаемой электроном из волн, переходит в тепло. Поэтому поглощение больше в ниж. областях ионосферы (слой D) , где v больше, т. к. выше плотность газа. С увеличением частоты поглощение уменьшается. Короткие волны испытывают слабое поглощение и распространяются на большие расстояния.

Рефракция радиоволн в ионосфере. В ионосфере распространяются только радиоволны с частотой w > w 0 . При w < w 0 показатель преломления становится чисто мнимым и эл--магн. поле экспоненциально убывает в глубь плазмы. Радиоволна с частотой w, падающая на ионосферу вертикально, отражается от уровня, на к-ром w = w 0 и n = 0. В ниж. части ионосферы электронная концентрация и w 0 увеличиваются с высотой, поэтому с увеличением w посланная с Земли волна всё глубже проникает в ионосферу. Макс. частота радиоволны, к-рая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, наз. критич. частотой слоя:

Критич. частота слоя F 2 (гл. максимума) изменяется в течение суток и года в широких пределах (от 3-5 до 10 МГц). Для волн с показатель преломления не обращается в нуль и падающая вертикально волна проходит через ионосферу, не отражаясь.

При наклонном падении волны на ионосферу происходит рефракция, как в тропосфере. В ниж. части ионосферы gradM -1 , т. е. поэтому gradи траектория луча отклоняется по направлению к Земле (рис. 9). Радиоволна, падающая на ионосферу под углом f 0 , поворачивает к Земле на высоте h , для к-рой выполнено условие (5). Макс. частота волны, отражающейся от ионосферы при падении под углом (т. е. для данной дальности трассы), равнаи наз. максимально применимой частотой (МПЧ). Волны с отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю, что используется для дальней радиосвязи.

Рис. 9. Схематическое изображение радиолучей определённой частоты при различных углах падения на ионосферу.

Рис. 10. Распространение коротких волн между Землёй и ионосферой: а - много-скачковая траектория; б - скользящая траектория.

Вследствие сферичности Земли величина угла f 0 ограничена и дальность связи при однократном отражении от ионосферы3500-4000 км. Связь на большие расстояния осуществляется за счёт неск. последоват. отражений от ионосферы и Земли ("скачков", рис. 10,а ). Возможны и более сложные волноводные траектории, возникающие за счёт горизонтального градиента N или рассеяния на неоднородностях ионосферы при Р. р. с частотой w> w МПЧ. В результате рассеяния угол падения луча на слой F 2 оказывается больше, чем при обычном распространении. Луч испытывает ряд последоват. отражений от слоя F 2 , пока не попадёт в область с таким градиентом N , к-рый вызовет отражение части энергии назад к Земле (рис. 10, б) .

Влияние магнитного поля Земли Н 0 . В магн. поле Н 0 на электрон, движущийся со скоростью u , действует Лоренца сила под влиянием к-рой он вращается по окружности в плоскости, перпендикулярной Н 0 , с гиромагн. частотой w H . Траектория каждой заряж. частицы - винтовая линия с осью вдоль Н 0 . Действие силы Лоренца приводит к изменению характера вынужденных колебаний электронов под действием электрич. поля волны, а следовательно, к изменению электрич. свойств среды. В результате ионосфера становится анизотропной гиротропной средой, электрич. свойства к-рой зависят от направления Р. р. и описываются не скалярной величиной e, а тензором диэлект-рич. проницаемости . Падающая на такую среду волна испытывает двойное лучепреломление ,т. е. расщепляется на две волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. Если направление Р. р.то падающую волну можно представить себе в виде суммы двух линейно поляризованных волн си. Для первой, "необыкновенной", волны (е )характер вынужденного движения электронов под действием поля волны Е изменяется (появляется компонента ускорения, перпендикулярная Е )и поэтому изменяется п . Для второй, "обыкновенной", волны (о ) вынужденное движение остаётся таким же, как и без поля Н 0 (присила Лоренца равна 0). Для этих двух волн (без учёта соударений) квадраты показателей преломления равны

При Р. р. вдоль

В последнем случае обе волны имеют круговую поляризацию, причём у "необыкновенной" волны вектор E вращается в сторону вращения электрона, а у "обыкновенной" - в противоположную сторону. При произвольном направлении Р. р. (относительно Н„) поляризация нормальных волн эллиптическая.

По мере Р. р. в ионосфере увеличивается сдвиг фаз между волнами и изменяется поляризация суммарной волны. Напр., при P.p. вдоль Н 0 это приводит к повороту плоскости поляризации (Фарадея эффект ),а при Р. р. перпендикулярно Н 0 - к периодич. чередованию линейной и круговой поляризаций (см. Коттона - Мутона эффект) , Т. к. показатели преломления волн различны, отражение их происходит на разной высоте (рис. 11). Направление k при Р. р. в ионосфере может отличаться от u гр.

Рис. 11 . Расщепление радиоволны в результате в ионосфере.

Низкочастотные волны в ионосфере. Осн. часть энергии НЧ-радиоволн практически не проникает в ионосферу. Волны отражаются от её ниж. границы (днём - вследствие сильной рефракции в D -слое, ночью - от E-слоя , как от границы двух сред с разными электрич. свойствами). Распространение этих волн хорошо описывается моделью, согласно к-рой однородные и изотропные Земля и ионосфера образуют приземный волновод с резкими сферич. стенками, в к-ром и происходит Р. р. Такая модель объясняет наблюдаемое убывание поля с расстоянием и возрастание амплитуды поля с высотой. Последнее связано со скольжением волн вдоль вогнутой поверхности волновода, приводящим к своеобразной "фокусировке" поля. Это явление аналогично открытому Рэлеем в акустике эффекту "шепчущей галереи". Амплитуда радиоволн значительно возрастает в антиподной по отношению к источнику точке Земли. Это объясняется сложением радиоволн, огибающих Землю по всем направлениям и сходящихся на противоположной стороне.

Влияние магн. поля Земли обусловливает ряд особенностей распространения НЧ-волн в ионосфере: сверхдлинные волны могут выходить из приземного волновода за пределы ионосферы, распространяясь вдоль силовых линий геомагн. поля между сопряжёнными точками А и В Земли (рис. 12). Из ф-лы (8) видно, что при в случае продольного распространения нигде не обращается в 0, т. е. волна проходит через ионосферу без отражения. В ночной атмосфере приближение геом. оптики нарушается и частичное прохождение есть при любом угле падения. Разряды молний · в атмосфере - естеств. источник НЧ-волн. В диапазоне 1-10 кГц они приводят к образованию т. н. свистящих атмосфериков ,к-рые распространяются указанным образом и создают на выходе приёмника сигнал с характерным свистом.

Рис. 12 .

При Р. р. инфразвуковых частот с w " W H важную роль играют колебания ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая нейтральная жидкость, движение к-рой описывается ур-ниями магнитной гидродинамики . В ионосфере возможно распространение неск. типов маг-нитогидродинамич. волн, в частности альвеновских волн , распространяющихся вдоль геомагн. поля с характерной скоростью(где r - плотность газа), и магнитозвуковых волн, к-рые распространяются изотропно (подобно звуку).

Нелинейные эффекты при распространении радиоволн в ионосфере проявляются уже для радиволн сравнительно небольшой интенсивности и связаны с нарушением линейной зависимости поляризации среды от электрич. поля волны (см. Нелинейная оптика )."На-гревная" нелинейность играет осн. роль, когда характерные размеры возмущённой электрич. полем области плазмы во много раз больше длины свободного пробега электронов. Т. к. длина свободного пробега электронов в плазме значительна, электрон успевает получить от поля заметную энергию за время одного пробега. Передача энергии при столкновениях от электронов к ионам, атомам и молекулам затруднена из-за большого различия в их массах. В результате электроны плазмы сильно "разогреваются" уже в сравнительно слабом электрич. поле, что изменяет эфф. частоту соударений. Поэтому b и s плазмы становятся зависящими от поля Е волны и Р. р. приобретает нелинейный характер. "Возмущение" диэлектрич. проницаемости

Где - характерное "плазменное" поле, Т - темп-pa плазмы, d - ср. доля энергии, теряемая электроном при одном соударении с тяжёлой частицей, - частота соударений.

Т. о., нелинейные эффекты становятся заметными, когда поле волны E сравнимо с E p , к-рое в зависимости от частоты волны и области ионосферы составляет ~10 -4 -10 -1 В/см.

Нелинейные эффекты могут проявляться как самовоздействие волны и как взаимодействие волн между собой. Самовоздействие мощной волны приводит к изменению её поглощения и глубины модуляции. Поглощение мощной радиоволны нелинейно зависит от её амплитуды. Частота соударений v с увеличением темп-ры электронов может как расти (в ниж. слоях, где осн. роль играют соударения с нейтральными частицами), так и убывать (при соударении с ионами). В первом случае поглощение резко возрастает с увеличением мощности волны ("насыщение" поля в плазме). Во втором случае поглощение падает (т. и. просветление плазмы для мощной радиоволны). Из-за нелинейного изменения поглощения амплитуда волны нелинейно зависит от амплитуды падающего поля, поэтому её модуляция искажается (автомодуляция и демодуляция волны). Изменение h в поле мощной волны приводит к искажению траектории луча. При распространении узконаправленных пучков радиоволн это может привести к самофокусировке пучка аналогично самофокусировке света и к образованию волноводного канала в плазме.

Взаимодействие волн в условиях нелинейности приводит к нарушению суперпозиции принципа .В частности, если мощная волна с частотой w 1 модулирована по амплитуде, то благодаря изменению поглощения эта модуляция может передаться др. волне с частотой w 2 , проходящей в той же области ионосферы (рис. 13) Это явление, называемое кросс модуляцией или Люксембург-Горьковским эффектом , имеет практич. значение при радиовещании в диапазоне ср. волн.

Рис. 13 . Ионосферная кроссмодуляция происходит в области пересечения лучей.

Нагрев ионосферы в поле мощной волны в КВ-диапа-зоне может вызвать тепловую параметрич. неустойчивость в ионосфере, к-рая приводит к аномально большому поглощению радиоизлучения и расслоению плазмы (см. Параметрический резонанс) . В области образуются сильно вытянутые вдоль Н 0 неоднородности ионосферы (с продольным масштабом 1 км, поперечным - 0,5100 м), к-рые перспективны для дальней связи в диапазоне УКВ. В поле очень мощных радиоволн электроны столь сильно разогреваются, что возникает электрич. пробой газа.

Если размеры возмущённой полем волны области плазмы много меньше длины свободного пробега электронов, нагревная нелинейность становится слабой. Это имеет место при коротких импульсах и узких пучках радиоволн. В этом случае осн. роль играет т. н. стрикционная нелинейность, связанная с тем, что неоднородное перем. электрич. поле волны оказывает давление на электроны, вызывающее сжатие плазмы. Концентрация электронов N , а следовательно, e и s становятся зависящими от амплитуды поля. Стрикционная нелинейность приводит к изменению диэлектрич. проницаемости меньшей нагревного изменения на неск. порядков (при той же мощности волны). Стрикционная нелинейность играет важную роль в параметрич. неустойчивости ионосферы.

Распространение радиоволн в космических условиях. За исключением планет и их ближайших окрестностей, б. ч. вещества во Вселенной ионизована. Параметры космич. плазмы меняются в широких пределах. Напр., концентрация электронов и ионов вблизи орбиты Земли ~1-10 см -3 , в ионосфере Юпитера ~10 5 см -3 , в солнечной короне ~10 8 см -3 , в недрах звёзд~10 27 см -3 . Из космич. пространства к Земле приходит широкий спектр эл--магн. волн, к-рые на пути из космоса должны пройти через ионосферу и тропосферу. Через атмосферу Земли без заметного затухания распространяются волны двух осн. частотных диапазонов: "радиоокно" соответствует диапазону от ионосферных критич. частот w кr до частот сильного поглощения аэрозолями и газами атмосферы (10 МГц - 20 ГГц), "оптич. окно" охватывает диапазон видимого и ИК-излучения (1-10 3 ТГц). Атмосфера также частично прозрачна в диапазоне НЧ (<300 кГц), где распространяются свистящие атмосферики и магнитогидродинамич. волны.

В космич. условиях источник радиоволн и их приёмник часто быстро движутся один относительно другого. В результате Доплера эффекта это приводит к изменению w на , где u - относит. скорость. Понижение частоты при удалении корреспондентов (красное смещение )свойственно излучению удаляющихся от нас далёких галактик. Радиоволны в космич. плазме подвержены рефракции, связанной с неоднородностью среды (рис. 14). Напр., вследствие рефракции в атмосфере Земли источник радиоволн виден выше над горизонтом, чем в действительности. Для определения расстояния до пульсаров и при интерпретации результатов Солнца и планет необходимо учитывать, что в космич. плазме

Рис. 14. Траектории радиолучей с l = 5 м в солнечной короне.

Возможности радиосвязи с объектами, находящимися в космич. пространстве или на др. планетах, разнообразны и связаны с наличием и строением их атмосфер. Если космич. плазма находится в магн. поле (магнитосфера Юпитера, области солнечных пятен, магнитосферы пульсаров), то она является гиротропной средой, подобно земной ионосфере. Для всех планет с атмосферами общая трудность радиосвязи состоит в том, что при входе космич. аппарата в плотные слои атмосферы вокруг него создаётся плотная плазменная оболочка, затрудняющая прохождение радиоволн. На планетах типа Меркурия и Луны, практически не имеющих атмосферы и ионосферы, на Р. р. оказывает влияние только поверхность планеты. Из-за отсутствия отражения от ионосферы дальность связи вдоль поверхности такой планеты невелика (рис. 15) и может быть увеличена только при помощи ретрансляции через спутник.

Рис. 15. Зависимость дальности r радиосвязи на поверхности Луны от частоты w/2p.

Распространение радиоволн разных диапазонов. Радиоволны очень низких (3-30 кГц) и низких (30- 300 кГц) частот огибают земную поверхность вследствие волноводного распространения и дифракции, сравнительно слабо проникают в ионосферу и мало поглощаются ею. Отличаются высокой фазовой стабильностью и способностью равномерно покрывать большие площади, включая полярные районы. Это обусловливает возможность их использования для устойчивой дальней и сверхдальней радиосвязи и радионавигации, несмотря на высокий уровень атм. помех. Полоса частот от 150 до 300 кГц используется для радиовещания. Большое число геофиз. исследований выполняется путём наблюдений за сигналами естеств. происхождения, к-рые генерируются, напр., молниевыми разрядами и частицами радиац. поясов Земли. Трудности применения этого частотного диапазона обусловлены громоздкостью антенных систем с высоким уровнем атм. помех, с относит. ограниченностью скорости передачи информации.

Средние волны (300-3000 кГц) днём распространяются вдоль поверхности Земли (земная, или прямая, волна). Отражённая от ионосферы волна практически отсутствует, т. к. волны сильно поглощаются в D -слое ионосферы. Ночью из-за отсутствия солнечного излучения D -слой исчезает, появляется ионосферная волна, отражённая от E -слоя, и дальность приёма возрастает. Сложение прямой и отражённой волн влечёт за собой сильную изменчивость поля, поэтому ионосферная волна - источник помех для мн. служб, использующих распространение земной волны. Ср. волны применяются для радиовещания, радиотелеграфной и радиотелефонной связи, радионавигации.

Короткие волны (3-30 МГц) слабо поглощаются D - и Е -слоями и отражаются от F-слоя , когда их частотымпч. В результате их отражения от ионосферы возможна связь как на малых, так и на больших расстояниях при значительно меньшем уровне мощности передатчика и гораздо более простых антеннах, чем в более низкочастотных диапазонах. Этот диапазон применяется для радиотелефонной и радиотелеграфной связи, радиовещания, а также для радиолюбительской связи. Особенность радиосвязи в этом диапазоне - наличие замираний (фединга) сигнала из-за изменений условий отражения от ионосферы и интер-ференц. эффектов. КВ-линии связи подвержены влиянию атм. помех. Ионосферные бури вызывают прерывание связи.

Для очень высоких частот и УКВ (30 - 1000 МГц) преобладает Р. р. внутри тропосферы и проникновение сквозь ионосферу. Роль земной волны падает. Поля помех в НЧ-части этого диапазона всё ещё могут определяться отражениями от ионосферы, и до частоты 60 МГц ионосферное рассеяние продолжает играть значит. роль. Все виды Р. р., за исключением тропосферного рассеяния, позволяют передавать сигналы с шириной полосы частот в неск. МГц. В этой части спектра возможно очень высокое качество звукового радиовещания при дальности 50-100 км. Радиовещание с частотной модуляцией работает на частотах вблизи 100 МГц.

В этом же диапазоне частот ведётся телевиз. вещание. Для радиоастрономии выделено неск. узких спектральных полос, к-рые используют также для космич. связи, радиолокации, метеорологии, кроме того, для любительской связи.

Волны УВЧ и СВЧ (1000-10 000 МГц) распространяются в осн. в пределах прямой видимости и характеризуются низким уровнем шумов. В этом диапазоне при Р. р. играют роль известные области макс. поглощения и частоты излучения хим. элементов (напр., линии водорода вблизи 1420 МГц). В этом диапазоне размещены многоканальные системы широкополосной связи для передачи телефонных и телевиз. сигналов. Высокая направленность антенн позволяет использовать низкий уровень мощности в радиорелейных системах, а тропосферное рассеяние обеспечивает дальность радиосвязи ~ 800 км. Этот диапазон применяют в радионавигац. и радиолокац. службах. Для радиоастрономич. наблюдений выделены полосы частот за атомарным водородом, радикалом ОН и континуальным излучением. В космич. радиосвязи полоса частот ~ 1000- 10 000 МГц - наиб. важная часть радиодиапазона.

Волны СВЧ (>10 ГГц) распространяются только в пределах прямой видимости. Потери в этом диапазоне неск. выше, чем на более низких частотах, причём на их величину сильно влияет кол-во осадков. Роет потерь на этих частотах частично компенсируется возрастанием эффективности антенных систем. СВЧ служат в радиолокации, радионавигации и метеорологии. На линиях связи между поверхностью Земли и космосом могут использоваться частоты < 20 ГГц. Для связи в космосе могут применяться значительно более высокие частоты. При этом отсутствуют взаимные помехи между космич. и некосмич. службами. Диапазон СВЧ важен также для радиоастрономии.

Лит.: Долуханов М. П., Распространение радиоволн, 4 изд., М., 1972; Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973; Гинзбург В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, 2 изд., М., 1967; Татарский В. И., Распространение волн в турбулентной атмосфере, М., 1967; Fок В. А., Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн, М., 1970; Гуревич А. В., Шварцбург А. Б., Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере, М., 1973; Железняков В. В., Электромагнитные волны в космической плазме, М., 1977.

П. А. Беспалов, М. Б, Виноградова .