Глава шестая. Распространение коротких волн

§ 6.1. Особенности распространения коротких волн

К коротким волнам относятся радиоволны длиной от 100 до 10 м (частоты 3÷30 МГц). Преимуществом работы на коротких волнах по сравнению с работой на более длинных волнах является то, что в этом диапазоне можно создать направленные антенны. Короткие волны могут распространяться как земные и как ионосферные.

В главе 2 было показано, что с повышением частоты сильно возрастает поглощение волн в полупроводящей поверхности Земли. Поэтому при обычных мощностях передатчика земные волны коротковолнового диапазона распространяются на расстояния, не превышающие нескольких десятков километров. Расчет напряженности электрического поля для поверхностной волны можно проводить в зависимости от высоты расположения антенн над поверхностью Земли по интерференционной формуле (2.34) или по формуле Шулейкина - Ван-дер-Поля (2.53).

Ионосферной волной короткие волны могут распространяться на многие тысячи километров, причем для этого не требуется передатчиков большой мощности. Поэтому в настоящее время короткие волны используются главным образом для связи и вещания на большие расстояния.

Рассмотрим основные особенности ионосферного распространения коротких волн.

Короткие волны распространяются на дальние расстояния путем отражения от ионосферы и поверхности Земли. Такой способ распространения называют скачковым (рис. 6.1) и характеризуют расстоянием скачка r_c1, r_c2, .., числом скачков λ, углами выхода и прихода θ₀₁ и θ₀₂, максимальной применимой частотой (МПЧ) и наименьшей применимой частотой (НПЧ).

Расстояние скачка зависит от высоты отражающего слоя, рабочей частоты и диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости; оно меняется в зависимости от времени года, сезона и уровня солнечной активности. В среднем максимальное расстояние скачка принимают равным: при отражении от слоя F₂ 4000 км, при отражении от слоя F₁ 3000 км, при отражении от слоя Е 2000 км. Максимальное расстояние скачка имеет место при направлении излучения волны по касательной к горизонту, однако у реальных антенн максимум излучения направлен под некоторым углом к горизонту, что приводит к уменьшению максимального расстояния скачка.

Если ионосфера однородна в горизонтальном направлении, то θ₀₁ = θ₀₂ и траектория волны симметрична. Обычно излучение происходит в некотором спектре углов, так как ширина диаграммы направленности коротковолновых антенн в вертикальной плоскости составляет 10÷15° (см. рис. 6.1). Минимальное расстояние скачка, для которого выполняется условие отражения (4.40) при θ₀ = θ_0кр, называют расстоянием зоны молчания (r_c1). Углы выхода больше 90кр дают ряд траекторий, причем оптимальные условия радиосвязи выполняются, если угол прихода волны на заданное расстояние соответствует углу максимального излучения антенны (луч 2 на рис. 6.1).

Рис. 6.1. Схема распространения коротких волн на большие расстояния: 1, 2 - волны, распространяющиеся путем двух отражений от ионосферы; 3 - волна, распространяющаяся путем одного отражения от ионосферы; 4 - волна, рабочая частота которой больше максимально допустимой

Чтобы волна могла быть принята на определенном расстоянии от передатчика, во-первых, должно выполняться условие отражения волны от ионосферы (4.40) и во-вторых, напряженность электрического поля полезного сигнала в данном месте должна превышать уровень помех. Эти два условия ограничивают диапазон применимых рабочих частот.

Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не выше значения, определяемого формулой (4.40). Из этого условия выбирают максимальную применимую частоту (МПЧ), являющуюся верхней границей рабочего диапазона для данного расстояния.

Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере (см. рис. 4.7). Наименьшую применимую частоту (НПЧ) определяют из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электрического поля сигнала должна превышать уровень шумов, а следовательно, поглощение сигнала в слоях ионосферы должно быть не больше допустимого.

Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток. Днем работают на волнах 10÷25 м, а ночью - на волнах 35÷100 м. Понятно, что необходимость менять длину волны и каждый раз правильно выбирать ее усложняет как конструкцию станции, так и работу оператора.

Ионосфера имеет несколько максимумов ионизации, вблизи которых могут отражаться радиоволны. В зависимости от рабочей частоты, угла 90 и состояния ионосферы отражение может происходить в той или иной области ионосферы; при этом возможны различные траектории распространения волн. Как показала статистическая обработка многочисленных наблюдений [53], на трассе протяженностью до 3000 км наиболее часто наблюдаются модели траекторий распространения радиоволн, изображенные на рис. 6.2, а. Частота случаев появления каждой из моделей распространения характеризуется гистограммами рис. 6.2, б.

Рис. 6.2. Механизмы распространения коротких волн: а - схемы различных механизмов распространения; I - одно отражение от слоя F; II - рассеянное отражение от слоя F; III - два отражения от слоя F; IV - одно и два отражения от слоя F; V - два отражения от слоев Е и F; VI - два отражения от слоя Е; б - вероятность появления различных механизмов распространения: ^_______ протяженность трассы 1500 км; ------- протяженность трассы 3000 км

На линии протяженностью 1500 км наиболее часто одновременно приходят волны, дважды отраженные от слоев F и Е (модель V); на линии протяженностью 3000 км распространение происходит чаще путем одного отражения от слоя F. В годы минимума солнечной деятельности часто наблюдается отражение только от слоя F. Преимущественной модели траектории распространения волны не существует. Вероятность появления той или иной модели зависит от протяженности трассы и уровня солнечной активности.

Помимо перечисленных моделей, возможны случаи аномального распространения радиоволн. Аномальное распространение может возникнуть при появлении на пути волны спорадического слоя Е_s, от которого могут отражаться более короткие волны, вплоть до метровых (см. § 7.2).

Существенное влияние на распространение коротких волн оказывает неоднородность ионосферы в горизонтальном направлении.

Градиенты критических частот максимальны в утренние часы, когда величина их достигает 0,4 МГц на 100 км. Градиенты критических частот возрастают с увеличением солнечной активности.

В горизонтально неоднородной ионосфере нарушается симметрия траектории, изменяется время группового запаздывания, расстояние скачка, величины МПЧ.