§ 7.3. Регулярное ионосферное распространение УКВ

Рассеяние радиоволн в ионосфере

Неоднородности ионосферы обусловливают рассеяние отражение радиоволн, которое происходит аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы [55].

Экспериментально установлено, что рассеяние радиоволн происходит на высоте 70÷90 км над земной поверхностью. Поэтому передающая и приемная антенны должны быть ориентированы так, чтобы их диаграммы направленности пересекались на этой высоте. Это определяет предельную длину радиолинии 2300 км [7, 20].

Основная часть мощности волны, падающей на рассеивающий объем, продолжает движение в первоначальном направлении и только часть мощности рассеивается. Чем меньше угол между направлениями рассеянной и первоначально излученной волн, тем больше рассеянная мощность. Поэтому прием радиоволн, рассеянных ионосферой, возможен на расстоянии не менее 900 км. Как и в случае тропосферного рассеяния, напряженность поля рассеянной волны зависит от степени неоднородности рассеивающей среды Δε/ε. При ионосферном рассеянии относительная диэлектрическая проницаемость определяется формулой (4.5), а отклонение относительной диэлектрической проницаемости от среднего значения связано с отклонением электронной плотности от среднего значения соотношением

Неоднородность диэлектрической проницаемости ионосферы убывает по квадратичному закону с увеличением рабочей частоты. Поэтому напряженность электрического поля рассеянного сигнала резко убывает с повышением рабочей частоты, и применимыми для работы радиолинии оказываются волны частотой 30÷60 МГц.

Зависимость напряженности электрического поля от рабочей частоты накладывает дополнительные по сравнению с тропосферным рассеянием ограничения ширины полосы частот, которая может быть передана без искажения.

Сигналы при этом виде связи подвержены сильным и глубоким замираниям, для борьбы с которыми применяют прием на разнесенные антенны (см. § 3.9). Кроме того, уровень принимаемого сигнала претерпевает регулярные изменения: достигает максимального значения в полдень летом, а минимального в 19÷21 ч местного времени средней точки радиолинии. Ценными свойствами рассматриваемого вида распространения радиоволн являются его устойчивость к тем нарушениям, которым подвержена связь на коротких волнах (см. § 6.6), возможность круглосуточной работы на одной и той же частоте и небольшой уровень помех, определяемый в основном космическими шумами и шумами Солнца. На арктических трассах уровень шумов повышается во время буранов за счет движения снега и кристаллов льда.

Рассматриваемый вид распространения радиоволн может обеспечить большую надежность радиотелеграфной связи в арктических областях. Однако он предъявляет повышенные требования к применяемой аппаратуре. Передатчик должен иметь мощность не менее 10 кВт, а антенны - коэффициент усиления 20÷30 дБ.

Во избежание приема запаздывающих сигналов, приходящих от следов метеоров или от слоя E_s, появляющихся в стороне от основной трассы, необходимо применять остронаправленные антенны и сужение полосы пропускания частот приемника. Практически требуется диаграмма направленности антенны ее более 10°, а ширина полосы пропускания - не более 3 кГц.

Отражение радиоволн от следов метеоров

За метеором, попадающим в земную атмосферу, образуется ионизированный след, на котором могут рассеиваться радиоволны. Отчетливо это явление наблюдается при помощи радиолокационных установок. При пролете метеорного тела в области действия радиолокатора на экране осциллографа отмечается характерный отраженный сигнал, вид которого изображен на рис. 7.1 [14]. По мере того как электронное облако следа метеора рассеивается, сигнал уменьшается и замирает. Длительность отражения не превышает 10 с. Отражения, длящиеся менее 1 с, наблюдаются в 100 раз чаще; чем отражения, длящиеся около 10 с. Более интенсивные и длительные отражения получаются на более длинных волнах метрового диапазона, а на волнах частотой выше 100 МГц отражения наблюдаются крайне редко.

Рис. 7.1. Вид сигнала, отраженного от следа метеора

Радиолокационные наблюдения метеоров натолкнули на мысль о возможности создания радиолиний, использующих явление отражения радиоволн от следов метеорных тел. Метеорные следы существуют в ионосфере короткое время, поэтому применяемая на этих радиолиниях аппаратура работает так, что передача информации происходит только во время присутствия достаточно интенсивных метеорных следов. Используются радиоволны частотой 40÷МГц, протяженность радиолинии составляет 1600÷1800 км. Применяются простые антенны с коэффициентом направленного действия 6÷18 дБ, излучающие под таким углом к горизонту, чтобы их диаграммы направленности пересекались на высоте около 100 км над земной поверхностью.

Для работы радиотелеграфной линии достаточен передатчик мощностью порядка 1 кВт. При увеличении мощности передатчика до десятков киловатт возможно увеличение полосы пропускания приемника до сотен килогерц.

Распространение радиоволн путем отражения от следов метеоров используется также для передачи неподвижных изображений, дистанционной синхронизации эталонов времени, передачи сводок погоды с автоматических метеорологических станций [14, 51].

Такие радиолинии не подвержены нарушениям, связанным с ионосферно-магнитными бурями, в отличие от коротковолновой радиосвязи.