§ 5.2. Особенности распространения средних волн

К средним волнам относятся радиоволны длиной от 100 до 1000 м (частоты 3÷0,3 МГц). Средние волны используются главным образом для вещания. Они могут распространяться как земные и как ионосферные волны.

Напряженность электрического поля земных волн определяют для малых расстояний по формуле Шулейкина - Ван-дер-Поля (2.53), а для больших расстояний - по законам дифракции (см. § 2.11). Средние волны испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, дальность распространения земной волны ограничена расстоянием 500÷700 км. Все явления и особенности распространения земных волн, рассмотренные в § 2.10, проявляются именно на средних волнах. На большие расстояния радиоволны распространяются ионосферной волной. Рассмотрим основные особенности ионосферного распространения средних волн.

Изменение условий распространения радиоволн в ночные и дневные часы

В ночное время средние волны распространяются путем отражения от слоя Е ионосферы, электронная плотность которого оказывается достаточной для этого. В дневные часы на пути распространения волны расположен слой D, чрезвычайно сильно поглощающий средние волны. Поэтому при обычных мощностях передатчиков напряженность электрического поля недостаточна для приема, и в дневные часы распространение средних волн происходит практически только земной волной на сравнительно небольшие расстояния (порядка 1000 км).

В диапазоне средних волн более длинные волны испытывают меньшее поглощение, и напряженность электрического поля ионосферной волны больше на более длинных волнах. Поглощение увеличивается в летние месяцы и уменьшается в зимние месяцы. Ионосферные возмущения не влияют на распространение средних волн, так как слой Е мало нарушается во время ионосферно-магнитных бурь.

Замирания средних волн

В ночные часы на некотором расстоянии от передатчика возможен приход одновременно пространственной и поверхностной волн, как показано на рис. 5.5 (точка В), причем длина пути пространственной волны меняется с изменением электронной плотности ионосферы.

Рис. 5.5. Пояснение причины ближних и дальних замираний средних волн: 1 - земная волна; 2 - волна, отразившаяся от ионосферы один раз; 3 - волна, отразившаяся от ионосферы дважды

Изменение разности фаз этих волн приводит к колебанию напряженности электрического поля, называемому ближним замиранием поля.

На значительное расстояние от передатчика (точка С) могут прийти волны путем одного и двух отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн также приводит к колебанию напряженности электрического поля, называемому дальним замиранием поля.

Для борьбы с замираниями на передающем конце линии связи применяются антенны, у которых максимум диаграммы направленности "прижат" к земной поверхности. При такой диаграмме направленности зона ближних замираний удаляется от передатчика, а на больших расстояниях поле волны, пришедшей путем двух отражений, оказывается ослабленным.

Расчет напряженности электрического поля пространственной волны

Напряженность электрического поля на средних волнах складывается из напряженности полей ионосферной и земной волн, а на больших расстояниях - из напряженностей полей волн, многократно отраженных от ионосферы. Расчет напряженности поля в случае прихода нескольких волн весьма сложный, поэтому для определения величины поля пользуются графиком, составленным Международным консультативным комитетом по радиосвязи (МККР). Этот график представлен на рис. 5.6.

Рис. 5.6. График МККР для определения напряженности электрического поля на средних волнах в ночные часы: 1 - ионосферная волна; 2 - земная волна (расчетные значения)

График МККР построен на основании обработки большого числа измерений напряженности электрического поля. Все значения напряженности поля приведены к величине излученной мощности, равной 1 кВт. По оси абсцисс на графике отложены расстояния в километрах. Для того чтобы oпределить напряженность электрического поля на данном расстоянии от передатчика, нужно величину Е, взятую из графика, умножить на  

На этом же графике пунктиром нанесены величины напряженности электрического поля поверхностной волны, рассчитанные по дифракционной формуле.

Перекрестная модуляция в ионосфере

На средних волнах проявляются нелинейные свойства ионосферы. Это было обнаружено в 1924 г., когда начала работу первая мощная радиостанция в г. Горьком. Оказалось, что передачи этой станции прослушиваются и тогда, когда приемник настроен на рабочую частоту другой средневолновой станции, причем частота горьковской станции не попадает в полосу пропускания приемника. Сигнал менее мощной средневолновой станции получался промодулированным сигналом горьковской станции. Исследования показали, что такая модуляция происходит в ионосфере за счет ее нелинейных свойств (§ 4.7). Это явление наблюдается, когда поле менее мощной станции проходит через ту же область ионосферы, что и волна мощной станции (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Распространение радиоволн при перекрестной модуляции: А и В - соответственно передающая и приемная станции, работающие на частоте f₁; С - мешающая мощная станция, работающая на частоте f₂

Сигнал маломощной станции ослабляется пропорционально изменению напряженности электрического поля мощной станции и, таким образом, происходит модуляция слабого сигнала модулирующим напряжением сигнала мощной станции. Это явление называется перекрестной модуляцией. Глубина коэффициента модуляции достигает 5÷8%.

Явления демодуляции и перекрестной модуляции в ионосфере наблюдаются только в диапазоне средних волн. В диапазоне коротких волн скорость электрона под действием электрического поля ничтожно мала по сравнению с его тепловой скоростью и присутствие поля не меняет числа столкновений электрона с тяжелыми частицами (см. § 4.7).

Длинные волны при отражении не проникают в глубь ионосферы и поэтому не воздействуют на число столкновений электрона.

Избавиться от перекрестной модуляции можно, избегая пересечения диаграмм направленности антенн мощной и маломощной станции. Мощные средневолновые станции должны иметь антенны с "прижатыми" к Земле диаграммами направленности. За счет перекрестной модуляции в приемник часто проникают интенсивные грозовые помехи, которые невозможно отфильтровать - грозовой разряд модулирует принимаемый сигнал.