Особенности распространения радиоволн различной длины

В вакууме (свободном пространстве, не заполненном каким-либо веществом) радиоволны распространяются со скоростью света. В пространстве, заполненном веществом, скорость распространения радиоволн зависит от относительной диэлектрической проницаемости (е_ср) и относительной магнитной проницаемости (р_ср) среды распространения: у = с/^г_ср р_ср ? Из-за изменяющихся е_ср и р_ср среды распространения возможны отражение, преломление, рефракция и дифракция радиоволн.

Отражение радиоволн происходит на границе двух сред с различными электрическими свойствами (радиоволны частично или полностью отражаются от границы двух сред). Если длина волны много меньше линейных размеров отражающей среды (Л«1_отр), то отражение происходит по законам оптики. Например, КВ хорошо отражаются от поверхности Земли. Когда отражающая поверхность имеет неровности, отражение будет диффузным (рассеянным).

Преломление радиоволн происходит также на границе двух сред с разными электрическими параметрами. При этом радиоволны меняют направление. Коэффициент преломления зависит от частоты радиоволны и от разницы параметров сред. Чем ниже частота, тем больше коэффициент преломления.

Если параметры среды распространения меняются плавно, то наблюдается явление рефракции радиоволн - плавное искривление траектории распространения. Существенная рефракция имеет место для ДВ, СВ и КВ в ионосфере Земли, причем чем ниже частота радиоволн, тем больше ионосферная рефракция. Несущественная рефракция происходит в тропосфере Земли. Тропосферная рефракция практически не зависит от частоты радиоволн.

Дифракция радиоволн заключается в их способности в той или иной степени огибать препятствия (горы, строения, выпуклость земного шара и т.д.). Чем ниже частота радиоволн, тем лучше они огибают препятствие, однако даже для них за крутыми горами, металлическими сооружениями и т.п. образуются зоны электромагнитного экранирования («зоны молчания»), где прием сигналов радиостанций невозможен.

На распространение радиоволн оказывают существенное влияние Земля и атмосфера. Влияние Земли проявляется в том, что часть энергии радиоволн, распространяющихся вдоль поверхности Земли, поглощается почвой. Поглощение происходит из-за возбуждения радиоволнами в почве высокочастотных токов, при этом часть энергии радиоволн превращается в тепло. С увеличением частоты поглощение возрастает.

Атмосфера Земли является газообразным слоем высотой до -20000 км. Самый нижний слой, в котором сосредоточено до 80% всей массы атмосферного воздуха, называют тропосферой. Она имеет толщину над экватором -16... 18 км, а в умеренных широтах -10.. .12 км.

Воздух, состоящий из смеси различных газов, имеет наибольшую плотность у поверхности Земли и представляет собой хороший диэлектрик. Плотность воздуха по мере подъема над Землей быстро уменьшается. Под влиянием излучений Солнца и космических лучей воздух ионизируется. Его атомы распадаются на свободные электроны и положительные ионы. На степень ионизации влияют случайные вспышки на Солнце, а также периодические циклы возрастания активности Солнца каждые 11 лет (последний максимум активности был в 1992 г., следующий попадает на 2003 г.). Ионизированная часть атмосферы образует ионосферу, оказывающую существенное влияние на процессы распространения радиоволн.

Ионосфера начинается на высоте -60...90 км и имеет условно несколько слоев, плавно переходящих друг в друга (рис.3.1,а). Первый слой D находится на высотах -60...90 км и существует только днем. Слой Е располагается на высотах ~90...150км. Слой F ночью находится на высоте -150...300км, а днем разделяется на два слоя: F_f - на высоте -150...250км и F₂ - на высоте - 250...400 км. От слоя к слою ионизация увеличивается, достигая максимума в слое F₂ . Выше - ионизация падает. Зоны полярных сияний находятся на условной границе слоев Е и F, их высота -140...160 км.

Из-за явлений отражения, преломления, рефракции и дифракции радиоволны могут достигать места приема несколькими путями. Для упрощения пояснений примем, что радиоволны излучаются передатчиком (П) в каком-либо направлении узкими лучами.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от земной поверхности и частично ее огибающие вследствие дифракции, называются поверхностными или земными (луч 1, рис.3.1,б). Поверхностные волны при распространении испытывают поглощение Землей, строениями, лесными массивами и т.п., которое тем больше, чем выше частота радиоволн.

Радиоволны, излучаемые наклонно к поверхности Земли и называемые пространственными, доходят до ионосферы, в которой происходит их плавное преломление - рефракция (рис.3.1,б, лучи 2,3,4). Возможность возврата радиоволн к Земле зависит от их частоты и угла излучения. Чем меньше угол излучения (рис.3.1,6) и чем меньше частота пространственных волн (рис.3.1,в), тем легче выполняются условия для их возвращения на Землю. Для каждого угла излучения при определенном состоянии ионосферы существует максимальная применимая частота (МПЧ). Волны с частотами выше МПЧ не возвращаются к Земле (рис. 3.2).

Ночь День

—--F₂ 250...400 км
-----—--— 2

F 150...300 км ₁₆₀ 250 км ?

^ 90... 150 км ^Е 90...150км §

D 60...90 км

-——-

Тропосфера

/////////

-7^- Земля
3)

Рис. 3.1. Высотные характеристики слоев ионосферы (а);

искажения траекторий лучей радиоволн ионосферой в зависимости от угла излучения (б) и частоты (в)

Чем ниже частота, тем сильнее поглощение радиоволн в атмосфере (на ОНЧ поглощение пропорционально 1 / f² ). Поглощение может быть столь значительным, что при вертикально посланной радиоволне отраженный сигнал вообще не удается обнаружить. При повышении частоты поглощение уменьшается и уровень отраженного сигнала увеличивается. Однако существует критическая частота (f_Kp), после которой вертикально посланные радиоволны от ионосферы не отражаются и уходят в космическое пространство (см. рис. 3.2). Днем f_Kp =5...15 МГц, ночью f_Kp =2...8 МГц .

Заметим, что /_Ар<МПЧ.

Существует и наинизшая применимая частота (НПЧ) радиоволны.

НПЧ - это частота, ниже которой дальнее распространение радиоволн практически невозможно из-за сильного поглощения в слоях ионосферы.

Рис. 3.2. К понятиям критической частоты радиоволны и максимально применимой частоты радиоволны

Существует и наинизшая применимая частота (НПЧ) радиоволны. НПЧ - это частота, ниже которой дальнее распространение радиоволн практически невозможно из-за сильного поглощения в слоях ионосферы.

Высота и степень ионизации слоев атмосферы непостоянны во времени. Это приводит к изменению условий распространения пространственных волн. В какой-либо точке приема возможна интерференция (наложение) поверхностных и пространственных радиоволн. Интерференция вызывает изменение результирующей напряженности поля, что приводит к замираниям (федингам) сигнала с длительностью от долей секунды до нескольких десятков секунд. Фединг может сопровождаться искажениями AM-сигнала из-за селективного подавления несущей (см. подраздел 8.1, рис.8.3).