Материал: Листов, Константин Михайлович. Радио и радиолокационная техника и их применение

шого давления отрицательные заряды долго существовать не могут; происходит процесс восстановления нейтральных мо­ лекул.

На все радиоволны, кроме ультракоротких, ионосфера оказывает большое влияние: она отражает их в той или иной степени в зависимости от частот радиоволн. Именно благо­ даря ионосфере существуют пространственные, или, как их иногда называют, ионосферные, волны.

Кроме, атмосферы, на распространение радиоволн влияет поверхность земли и ее предметы.

В радиосвязи радиоволны подразделяются на поверхност­ ные, распространяющиеся вдоль поверхности земли, и про­ странственные, распространяющиеся под различными углами к линии горизонта (рис. 27 и 29) и отражающиеся от ионо­ сферы.

Поверхностные радиоволны. Распространение поверхност­ ных волн сильно зависит от электрических свойств почвы, рельефа местности и растительности.

Распространяясь вдоль земной поверхности, радиоволны возбуждают токи проводимости в почве, расходуя часть своей энергии на ее нагрев — поглощение.

Поглощение энергии радиоволн тем больше, чем выше их частота (чем короче длина волны) и меньше проводимость земной поверхности, так как при меньшей проводимости земли радиоволны глубже проникают в почву. При более низких частотах и повышенной проводимости почвы радио­ волны возбуждают токи в очень тонком поверхностном слое, экранируя тем самым более глубокие области почвы и пре­ пятствуя проникновению в них радиоволн.

Пересеченная местность с густой растительностью допол­

60

нительно ослабляет поверхностные радиоволны, причем тем больше, чем выше частота.

К положительным свойствам поверхностных радиоволн относятся постоянство условий их распространения и малая зависимость от времени суток, года и состояния атмосферы. Их недостаток — ограниченная дальность распространения вследствие поглощения земной поверхностью. Для повыше­ ния дальности радиосвязи поверхностными радиоволнами, особенно в диапазоне коротких волн, требуются более мощ­ ные передатчики и громоздкие антенны.

Поверхностные радиоволны широко используются для ра­ диосвязи в тактических звеньях управления различных родов войск и видов вооруженных сил.

Пространственные радиоволны используются в радиосвязи для передач на большие расстояния.

Излученные под углом к земной поверхности (рис. 29) пространственные волны достигают ионосферы и, отражаясь от нее, возвращаются на землю на больших расстояниях от места излучения. При этом часть энергии волны, большая или меньшая в зависимости от частоты волны, поглощается ионосферой.

Физическая картинаотражения и поглощения простран­ ственной волны заключается примерно в следующем.

Скорость распространения радиоволн в ионосфере умень­ шается по мере проникновения их из электрически менее плотной области в электрически более плотную. Это приводит к изменению направления распространения волны и ее воз­ вращению на поверхность земли. Отражение пространствен­ ных волн от ионизированных слоев ионосферы можно объ­ яснить также переизлучением волн ионосферой. При этом

Рис. 29. Поверхностные н пространственные радиоволны

61

ионизированный слой рассматривают как поверхность прово­ дящей сферы, в которой индуктируются высокочастотные токи под действием падающих, т. е. первичных, волн. Эти токи порождают вторичные волны, которые достигают поверхности земли. Чем выше степень ионизации ионосферы, чем ниже ча­ стота и меньше крутизна радиолуча, тем легче происходит отражение от ионосферы.

Поглощение энергии волн в ионосфере заключается в том, что радиоволна, проникая в толщу ионосферы, возбуждает в ней колебания свободных электронов. Размах этих коле­ баний тем больше, чем длиннее волна при данной напряжен­ ности поля. Иначе говоря, чем длиннее волна, тем большей интенсивности колебания свободных электронов она вызы­ вает, тем больше расходуется энергии на нагревание среды, т. е. поглощение энергии ионосферой.

Различают четыре регулярных слоя, или максимума, ионо­ сферы, в той или иной степени влияющих на распростране­ ние пространственных волн.

На высоте 60—90 км над уровнем моря в дневное время образуется слабо ионизированный слой D. Этот слой почти не способен отражать радиоволны, он их только -поглощает, и тем сильнее, чем длиннее волна.

На высоте 90—130 км постоянно существует слой Е, имеющий значительно большую электронную концентрацию, чем слой D. От него хорошо отражаются длинные и средние волны, а короткие волны в нем сильно поглощаются.

На высоте 200—600 км находится ионизированный слой F. Он имеет очень высокую электронную концентрацию в тече­ ние суток и года и играет основную роль в распространении коротких радиоволн. В дневное время летом слой F расщеп­ ляется на два слоя — Fi и F2.

В средних широтах слой /д находится на высотах прибли­ зительно 180—220 км, а слой F2— на высотах 220—600 км. Слой F2 имеет очень высокую электронную концентрацию и является основным отражающим слоем для коротких, а иног­ да и длинноволновой части ультракоротких радиоволн.

На высоте слоя Е образуется нерегулярно существующий слой Es, характеризующийся весьма высокой электронной концентрацией. Он хорошо отражает короткие волны и длин­ новолновую часть ультракоротких волн.

Каждый ионизированный слой имеет свою критическую частоту — важный параметр, с которым связано определение рабочих частот.

Критическая частота — это наивысшая частота fa верти­ кально падающего на слой ионосферы радиолуча, при кото­ рой радиоволны, отражаясь от слоя, возвращаются на зем­ ную поверхность. Все частоты выше fo не отражаются дан­ ным слоем.

62

Значения критических частот неодинаковы для разных географических пунктов земного шара и непостоянны в

концентрация ионизированных слоев и высота их над землей определяются интенсивностью воздействия солнечного излу­

положения Земли и Солнца в пространстве, так и от солнеч­ ной активности, определяемой количеством пятен на Солнце. Электронная концентрация ионизированных слоев возра­ стает, а критические частоты повышаются с приближением к экватору. С приближением к полюсам электронная концен­ трация уменьшается, а критические частоты понижаются.

Солнечная деятельность циклически изменяется с тече­ нием времени от максимума к минимуму. Длительность цикла равна примерно 11 годам. 1957 г. характеризовался самой вы­ сокой деятельностью Солнца.

Критические частоты определяются специальными ионо­ сферными станциями. Это необходимо для расчета рабочих частот связи пространственной волной на различные рас­ стояния.

По данным, получаемым на ионосферных станциях, со­ ставляются радиопрогнозы, служащие для определения опти­ мальных рабочих частот на конкретных радиотрассах.

Радиопрогнозы могут быть либо долгосрочными, опреде­ ляющими диапазон применимых частот на 11-летний период изменения солнечной деятельности, на годичный цикл изме­ нения состояния ионосферы (годовые прогнозы) или на каж­ дый месяц (месячные прогнозы), либо краткосрочными, опре­ деляющими диапазон частот на короткий промежуток вре­ мени, например на сутки.

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНОВ

Длинные и сверхдлинные радиоволны (длиннее 1000 м)

распространяются как поверхностной, так и пространствен­ ной волной. Поверхностная волна сравнительно хорошо оги­ бает кривизну Земли или неровности, но вследствие погло­ щения в почве распространяется на ограниченные дальности.

в ионосфере, и потому дальность ее распространения резко ограничена. Для перекрытия больших расстояний с помощью

63

длинных и сверхдлинных радиоволн потребовались бы пере­ датчики очень большой мощности.

Весьма ценное свойство длинных и сверхдлинных радио­ волн — независимость условий их распространения от метео­ рологических факторов и от изменений верхних слоев атмо­ сферы в течение суток и года. Однако аппаратура данного диапазона волн получается громоздкой и тяжелой. Она при­ меняется для связи (преимущественно односторонней) с под­ водными лодками, поскольку длинные волны могут сравни­ тельно глубоко (на десятки метров) проникать в воду. При этом используются передатчики мощностью до 1000 и более киловатт [55].

Сверхдлинные и длинные радиоволны применяются в ра­ дионавигационной технике, а также для связи в полярных широтах.

Средние радиоволны (100—1000 м) имеют несколько иные условия распространения, чем длинные. Днем наблюдаются только поверхностные волны, так как пространственные волны (длиннее 300 м) практически полностью поглощаются в ионо­ сфере, главным образом в слое D. Ночью, с исчезновением слоя D, поглощение в ионосфере уменьшается, вследствие чего на пространственных волнах, отражающихся от более высоких слоев ионосферы, можно поддерживать связь на рас­ стояниях 1500—2000 км при мощности передатчика около 1 кет. Пространственные волны этого диапазона имеют сезон­ ную зависимость: они проходят значительно лучше зимой, чем летом.

Дальность распространения поверхностных волн вслед­ ствие их значительного (по сравнению с длинными волнами) поглощения в почве сокращается, особенно на коротковолно­ вом участке этого диапазона при распространении над сухой песчаной почвой (например, в пустыне).

На средних радиоволнах становятся заметными помехи радиоприему как промышленные (от работающих электриче­ ских устройств), так и атмосферные (от грозовых разрядов), а в диапазоне 100—300 м ночью наблюдаются сильные по­ мехи от дальних радиостанций.

Большое достоинство средних радиоволн состоит в том, что они не подвержены влиянию ионосферных возмущений и условия их распространения практически не зависят от 11-летнего периода солнечной активности, за исключением радиоволн длиной 100—300 м. Однако и этим волнам свой­ ственны замирания,сигналов в точке приема вследствие интер­ ференции волн.

Для средневолнового диапазона можно создать автомо­ бильные и переносные радиостанции приемлемых габаритов и весов. Такие станции особенно полезны в полярных райо­ нах, где из-за сильных и частых ионосферных возмущений

64

ностной волной на расстояния от нескольких десятков до

200—300 км.

Согласно международному соглашению на волнах длиной около 600 м (частоты 485—515 кгц) передаются сигналы бед­ ствий (сигналы SOS).

Средневолновый диапазон широко используется для ра­ диовещания; в нем работает много тысяч вещательных ра­ диостанций большой мощности, которые могут создавать помехи связным станциям, работающим в этом диапазоне.

Короткие радиоволны (10—100 м) имеют более резко вы­ раженную зависимость распространения пространственной волны от состояния ионосферы. Поверхностные волны корот­ коволнового диапазона значительно больше, чем средние волны, поглощаются почвой и хуже огибают выпуклость Земли. Дальность их распространения обычно составляет де­ сятки и реже несколько сотен километров (при мощности пе­ редатчика 0,2—1 кет).

В этом диапазоне основную роль играют пространствен­ ные волны, которые, отражаясь от самых высоких слоев ионо­ сферы и от поверхности земли, могут распространяться на тысячи и даже десятки тысяч километров при сравнительно небольшой мощности передатчика.

Способность коротких радиоволн хорошо отражаться от ионосферы весьма важна не только для дальней связи. За счет пространственной волны с помощью радиостанций малой мощности можно получить радиосвязь и между сравнительно близкими пунктами, разделенными высокими горными хреб­ тами, полностью экранирующими поверхностные волны. Для этого необходимо рабочую частоту выбрать несколько меньше

Такой выбор рабочих волн широко применяется в войсковой практике, особенно в условиях гористой или резко пересечен­ ной местности, а также в условиях сильных помех радио­ приему.

Пространственные короткие волны при отражении от ионо­ сферы пронизывают ионизированный слой Е в прямом и об­ ратном направлениях. При этом значительная часть энергии волн поглощается при данной крутизне луча тем боль­ ше, чем меньше частота волны и чем выше плотность иониза­ ции слоя. Поэтому для связи в определенных условиях ста­ раются выбирать частоты несколько выше некоторой крайней частоты, называемой предельной частотой по поглощению (ПЧП). Эта частота служит нижней предельной границей