Особенности распространения радиоволн.

 

Радиоволны, излучаемые различными передатчиками, распространяются в окружающем передающую антенну пространстве прямолинейно и независимо от других электромагнитных колебаний. Но это правило справедливо только для случая распространения волны в идеальном диэлектрике и при отсутствии каких-либо препятствий.

На распространение радиоволн в околоземном пространстве существенное влияние оказывает земная поверхность и свойства земной атмосферы. Земная поверхность не является плоской и не обладает идеальной проводимостью. Различные неровности на поверхности земли (горы, строения) рассеивают и поглощают электромагнитные колебания, причём степень воздействия зависит от длины волны.

Земная атмосфера также неоднородна и свойства её сильно зависят от высоты над поверхностью Земли. Земная атмосфера простирается до высоты свыше тысячи километров, не имея резкой верхней границы. Слой атмосферы, расположенный непосредственно у поверхности Земли называется тропосферой. Свойства и состояние тропосферы характеризуется тремя параметрами: давлением воздуха, его температурой и влажностью. С изменением давления, влажности и температуры изменяется и показатель преломления слоёв тропосферы. Нормально этот показатель медленно уменьшается при подъёме. На высотах от 60 км и выше газы, входящие в состав атмосферы, под действием ультрафиолетовых и рентгеновских лучей солнечного спектра ионизируются. Поэтому слои атмосферы, лежащие на высотах от 60 км до 400 км над поверхностью Земли, называется ионосферой. Степень ионизации на разных высотах различна и неоднородна.

Наиболее низкая ионизированная область – слой D – располагается на высотах от 60 км до 90 км. Рис. 2. Он образуется в дневные часы под действием солнечных лучей, а в ночные часы исчезает.

Следующая ионизированная область – слой Е – имеет максимум на высоте 120 км. Концентрация электронов в слое Е сильно зависит как от времени суток, так и от времени года. В летнее время концентрация

 

Рис.2. Строение ионосферы Земли.

 

электронов выше, чем зимой. На высотах 80 – 100 км наблюдаются сильные неоднородности ионизации.

Верхняя область ионосферы (от 180 до 400 км) называется слоем F. В дневные часы летних месяцев эта область распадается на два слоя F1 (180 – 240 км) и F2 (300 – 400 км). В остальное время суток и года остаётся только слой F2.

Закономерный ход электронной концентрации в слоях ионосферы нарушается в результате вспышек солнечной активности. Наиболее сильны такие изменения в слоях D и Е.

Реальный слой ионосферы имеет неравномерную концентрацию электронов. Эта концентрация с высотой постепенно возрастает, достигает максимума и затем постепенно уменьшается. Можно представить приближенно, что каждый слой ионосферы (например, слой F), в свою очередь, имеет слоистую структуру. В результате такой структуры ионосферы, радиоволны преломляются и при определённых условиях могут возвращаться вновь на Землю. Радиоволны, возвращающиеся к Земле после отражения в ионосфере, называют пространственными волнами. Рис. 3.

Рис. 3. Влияние ионосферы на распространение радиоволн.

 

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости к земной поверхности и частично огибающие выпуклость земного шара благодаря дифракции, называются поверхностными (земными) волнами.

Разделение радиоволн на длинные, короткие и ультракороткие в значительной степени определяется особенностями их распространения. К сверхдлинным волнам относятся волны длиннее 10000м, а к длинным – от 10000 до 1000м.

Вода океанов и морей и даже влажная почва являются для этих волн почти проводником, следовательно, отражают их при любом угле падения. Этот процесс похож на распространение волн в гигантском волноводе (или коаксиальной системе), стенками которого служат ионосфера и земная поверхность. Именно такой «волноводный» характер распространения (а не простое явление дифракции) позволяет объяснить возможность длинноволновой связи на любые земные расстояния вплоть до антипода (около 20000 км).

Выгодным свойством длинноволновой связи и радиовещания на длинных волнах является сравнительное постоянство напряженности поля в пункте приема в течение суток, года и 11-летнего периода солнечной активности.

Основным недостатком длинноволнового диапазона следует считать его малую частотную вместимость (общее число килогерц). Характерны также большие размеры антенных сооружений, соизмеримые с длиной волны. Кроме того, на длинных волнах очень сильны помехи радиоприему, создаваемые разрядами атмосферного электричества и имеющие сравнительно большие амплитуды длинноволновых составляющих колебаний.

К средневолновому диапазону относятся волны от 1000 до 100м. На средних волнах работает много радиовещательных станций и связных станций торгового флота разных стран. Если для длинных волн характерным было «волноводное» распространение между земной поверхностью и слоем E, то для вертикального отражения средних волн концентрация электронов слоя E не всегда достаточна, а концентрация слоя D и вовсе недостаточна.

По сравнению с длинными волнами средние волны проникают в ионизированный слой до своего отражения гораздо глубже. Они сильно поглощаются в дневном слое Е, а также в слое D, сквозь который проходят дважды. Ночью, отражаясь от слоя Е только при наклонном падении (т.е. проникая в него не столь глубоко) и не встречая на пути распространения слой D, средние волны претерпевают гораздо меньшие потери.

Всем сказанным объясняется следующая особенность средних волн: в дневные часы они являются только поверхностными (земными), а ночью на более значительных удалениях от передатчика можно принимать и пространственные (ионосферные) волны.

Ввиду того, что участие ионосферы в распространении средних волн носит перемежающийся характер, это распространение имеет ряд особенностей. Первой из этих особенностей следует считать замирания (периодические уменьшения) силы приема. Если днем в пункт приема доходили земные (и только земные волны), то ночью туда же могут попадать и волны, отраженные ионосферой. Тогда электромагнитное поле в пункте приема становится результатом интерференции земных и ионосферных волн, т.е. усиливаются или ослабляются.

Второй особенностью распространения средних волн нужно считать колебания силыприёма в течение суток. На близких расстояниях, где основным оказывается поле земных волн, сила приёма практически не меняется в течение суток. На средних расстояниях, куда земные волны доходят с ослаблением, днём слышимость может быть слабой, а ночью, когда главенствующим окажется поле пространственных волн, слышимость возрастает, сопровождаясь замираниями. На больших же расстояниях, куда земные волны практически не доходят, слышимость может появ­ляться лишь в ночное время за счёт ионосферных волн.

Условия связи на средних волнах изменяются и в течение го­да из-за того, что в летние месяцы возрастает уровень атмосфер­ных помех. Влияние же 11-летнего периода солнечной активности и воздействие ионосферных возмущений на средних волнах незначительно.

Короткими называют волны от 100 до 10 м(частоты от 3*10⁶ до 30*10⁶ Гц). Эти волны, как и средние, могут распространяться и поверхностными, и пространственными лучами.

Поглощение энергии радиоволн в земной поверхности возрастает с увеличением частоты, а потому короткие волны распространяются вдоль земли на сравнительно небольшие расстояния. При мощностях излучения в десятки и даже сотни ватт - лишь на десятки километров, особенно если речь идёт о волнах верхней половины коротковолнового диапазона (50-10 м).

На коротких волнах основным способом передачи сигналов является однократное или даже многократное отражение от ионосферы. Таким способом осуществляются эко­номичные дальние связи и дальнее радиовещание. В нормаль­ных условиях распространения пространственных коротких волн отражающим служит слой F₂ а лежащие ниже него слои Е и D оказываются поглощающими, т. е. вредными.

Днём для дальних связей применяются наиболее короткие волны этого диапазона (примерно от 10 до 25 м); они при малом угле возвышения способны отразиться от слоя F₂. Конечно, более длинные волны и подавно стали бы отражаться, но при высокой концентрации электронов в слоях Е и D потери в этих слоях днем были бы слишком большими и потребовалось бы невыгодное увеличение мощности передатчика. Ночью для дальних связей используется нижняя часть коротковолнового диапазона (при­близительно от 35 до 100 м), так как при уменьшенной концентра­ции электронов в слое F₂ более короткие волны прошли бы сквозь ионосферу даже при малом угле возвышения. Потери в расположенных ниже слоях не столь опасны, ибо слой D ночью исчезает, а ионизация слоя Е сильно уменьшается.

Волны, занимающие участок между дневными и ночными (приблизительно от 25 до 35 м), успешно применяются для связи в часы полуосвещённости. Следует, конечно, помнить, что точное разграничение этих трёх участков коротковолнового диапазона невозможно, так как их границы зависят от сезона и от фазы 11-летнего периода солнечной активности.

При приёме пространственных коротких волн наблюдаются беспорядочно возникающие изменения напряжённости электри­ческого поля, с которыми связаны замирания и возрастания силы приёма. Замирания здесь бывают глубже и следуют друг за дру­гом чаще, чем на средних волнах.

На коротких волнах замирания обычно являются ре­зультатом интерференции нескольких лучей, отражённых от ионо­сферы.

Основные пути борьбы с вредным действием замираний - автоматическая регулировка усиления и приём на разнесённые ан­тенны (а иногда и на антенны с взаимно перпендикулярной поля­ризацией).

На корот­ких волнах при удалении приёмника от передатчика часто наблюдается сначала уменьшение слышимости вплоть до полного её прекращения, а затем при большем удалении восстанавливается нормальный приём сигналов. Следовательно, между двумя зонами слыши­мости существует зона молчания.

Диапазон, ограниченный частотами 30 Мгц ( = 10 м) и 30000 Мгц ( см), называется диапазоном ультракоротких волн, (УКВ). В свою очередь, этот диапазон делится на волны метровые (К от 10 ж до 1 ж), дециметровые (К от 1 ж, до 10 см) и сантиметровые ( от 10 см до 1 см). Волны короче 1 см назы­ваются миллиметровыми и субмиллиметровыми волнами.

Связь и радиовещание на ультракоротких волнах имеют очень важные преимущества по сравнению с длинноволновой и корот­коволновой связью и радиовещанием. Передачи телевидения во­обще возможны лишь на УКВ.

Первое преимущество — возможность передачи значительно более широкого спектра частот сигнала (например, много радио­телефонных каналов или же телевизионный канал)

Второе преимущество ультракоротких волн — высокая направленность действия их антенн в сторону корреспондента.

Ещё одним достоинством связи на УКВ, обеспечиваемым в полной мере при наличии прямой (геометрической) видимости между антеннами корреспондирующих станций, следует считать её устойчивость, т. е. постоянство уровня сигнала в приёмнике вне зависимости от часов суток, времени года и других внешних причин.

Требование прямой видимости между антеннами УКВ радиостанций, которое в течение десятилетий ограничивало примене­ние этого диапазона, вытекает из прямолинейности распростра­нения основного потока энергии этих волн.

Лишь в пятидесятых годах 20-го столетия стала возможна непосредственная дальняя связь на УКВ. Такая связь обеспечивается, во-первых, рассеянием УКВ на неоднородностях тропосферы, во-вторых, рас­сеянием на неоднородностях ионосферы и отражением от ионизированных следов метеоров и, в-третьих, ретрансляцией через искусственные спутники Земли.

Вторая возможность дальней (и притом регулярной, сравни­тельно устойчивой) связи на УКВ создаётся рассеянием их энер­гии в местных (локальных) неоднородностях тропосферы. Такие неоднородности постоянно создаются и распадаются благодаря вихревым движениям воздуха. Они могут иметь либо плоскую, либо шарообразную форму. Лучи ультракоротких волн, проходя сквозь тропосферные неоднородности, испытывают частичное от­ражение рассеянного характера. Рассеянные лучи преимущественно направлены вперёд, и некоторая их часть до­стигает Земли в точках, отстоящих от пункта излучения на расстояниях, исчисляемых сотнями километров.

Третья возможность дальней связи на ультракоротких вол­нах - связь за счёт рассеяния волн в ионосфере. В нижних слоях ионосферы, особенно в слое D, есть неоднородности электронной концентрации. Эти неоднородности также рассеивают часть энергии проходящих сквозь них радиоволн, как их рассеивали неод­нородности тропосферы. Однако связь при по­мощи рассеянного отражения от неоднородностей в ионосфере имеет специфические свойства.

Дальний приём сигнала на УКВ возможен и за счёт отражения волны от метеорного следа. Рис. 4. Метеор оставляет после себя ионизированный «след», рассеивающийся (исчезающий) за промежуток времени от десятых долей секун­ды до нескольких секунд. Средняя длина следа, сохраняющего высокую плотность ионизации, принимается при расчётах равной 25 км.

Рис.4. Схема связи с отражением от метеорного следа.

 

Плотность ионизации метеорного следа достаточна для того, чтобы отражение метровых волн носило характер скорее зеркаль­ного, нежели рассеянного. При благоприятных сочетаниях на­правления метеорного следа и направления трассы связи поток энергии отражённых волн имеет гораздо большую плотность, не­жели поток рассеянных волн. Этим и объясняется повышенный уровень сигнала при метеорном отражении.

Геометрическое построение показывает, что метеорная связь возможна приблизительно от 700 до 2000 км, как и ионосферная. Наибольший эффект в пункте приёма дают метеоры, перпендикулярные плоскости распространения радиоволн между пунктами передачи и приёма. Что касается диапазона волн, то выгодны частоты 30-60 МГц (волны от 10 до 5м), так как для отражения более коротких волн значительная часть следов оказывается недостаточной.

 

Антенны.

Антенной называется линейная система, предназначенная для излучения или приёма электромагнитных колебаний. Функции передающей и приёмной антенн противопо­ложны, а потому понятие «антенна» следует определить отдельно применительно к этим функциям.

Передающая антенна представляет собой устройство для пре­образования энергии тока высокой частоты в энергию электро­магнитных волн, излучаемых в заданных направлениях.

Приёмная антенна — устройство, преобразующее энергию электромагнитных волн, приходящих по заданным направлени­ям, в энергию тока высокой частоты. При этом преобразуется как энергия радиосигнала, так и помехи. Помехами называются излучения других систем радиопередачи, а также излучения атмосферного, космического происхождения и создаваемые различного рода производственными электрическими устройствами. Для успешного извлечения энергии из приходящих к приёмной антенне волн необходимо «обратное» излучение антенны. Одним из основных параметров, характеризующих свойства антенны, является коэффициент направленности.

Для приёмных антенн коэффициент направленности D опреде­ляется как отношение мощности, извлекаемой антенной из волн, которые проходят в направлении максимума приёма, к мощно­сти, извлекаемой, при той же напряжённости поля сигнала, ненаправленной (изотропной) приёмной антенной:

 

 

Для простейших приёмных антенн, более удобны параметры «действующая высота» антенны или «действующая длина» антенны.

Конструктивно приёмные антенны проще, чем передающие, так как напряжения и токи в них незначительны.

На длинных волнах, т. е. на волнах длиннее 1000 м (7<300 кгц), применяются несимметричные передающие антенны. Рис. 5а.

Наиболее эффективна такая антенна при длине Иначе го­воря, высота мачт должна быть более 250 м. Но сооружение мач­ты даже высотой в 250 м сравнительно дорого. Поэтому иногда для длинноволновых передатчиков сооружаются мачты высотой 100—150 м и даже меньше.

На длинных волнах могут применяться приёмные антенны в виде за­землённого вертикального провода без горизонтальной части или же с горизонтальной частью. У основания провода включает­ся сопротивление (на длинных волнах имеющее обычно преимущественно реактивный характер), которое питается током антен­ны и с которого снимается напряжение на вход приёмника.

На длинных волнах основным видом помех оказываются внешние помехи, а не внутренние шумы приёмника. С увеличени­ем высоты антенны возрастает уровень сигнала, но увеличиваются и ЭДС, наводимые помехами. Поэтому не имеет смысла выполнять антенны выше двух-трёх десятков метров. Сечение провода может быть небольшим; горизонтальная часть состоит обычно из одного провода, и заземление выполняется достаточ­но простыми средствами.

Для радиоприёма, кроме открытых антенн, применяются замкнутые антенны без сердечника (рамочные антенны) и с сер­дечником из феррита (так называемые «магнитные» антенны).

Рамочная антенна (приёмная рамка) состоит из одного или нескольких витков, имеющих квадратную, круглую или много­угольную форму, симметричную относительно вертикальной оси. Своими концами рамка присоединяется к входным зажимам приёмника, причём параллельно ей может быть включён конден­сатор, с которым рамка образует колебательный контур, настраиваемый на частоту того или иного сигнала (Рис. 5б). Напря­жение, создаваемое под действием сигнала на зажимах конденса­тора, управляет работой приёмника.

а). б). в).

Рис.5. Схема горизонтальной антенны а) и приёмной рамки б) и диаграмма

направленности рамки в горизонтальной плоскости в).

 

В приёмниках переносного типа требуются антенны, размещаемые под пластмассовым футляром. Такие миниатюрные (ферритовые) антенны относятся тоже к замкнутому типу и выполняются в виде катушки, вдоль оси которой проходит удлинённый стержень из магнитодиэлектрика (Рис.6). Наведение ЭДС в такой ка­ртушке можно объяснить воздействием магнитного поля сигнала, которое концентрируется в магнитном материале стержня, пронизывая плоскости витков катушки.

Используя свойства направленности, аналогичные свойствам приёмной рамки, можно подавить помеху со стороны мощной радиостанции, сохраняя слышимость маломощной, расположен­ной под другим азимутом.

Рис.6. Расположение катушек индуктивности на сердечнике магнитной антенны.

 

На коротких волнах, и особенно в диапазоне от 15 до 60м, осуществляются связь и радиовещание на большие расстояния. Для ближних связей короткие волны применяются лишь в специальных случаях. Следовательно, характерные требования к антеннам коротких волн исходят из условий работы дальних линий связи. В диапазоне коротких волн применяются для дальних связей два типа антенн, работающих в режиме бегущих волн. Первый тип — это ромбическая антенна, которая в разных конструкциях пригодна и как передающая, и как приёмная. Второй тип — ко­ротковолновая приёмная антенна бегущей волны.

 

На метровых волнах очень широко применяется однонаправ­ленная антенна, получившая название «волновой канал» (рис.7). Она содержит один активный вибратор В, питаемый обычно коаксиальным кабелем, один рефлектор Р и несколько директоров Д. Все эти элементы укреплены своими серединами на металлической пустотелой штанге. Штанга проходит через точки нулевого заряда (или, что одно и то же, через пучности тока) перпендикулярно электрическому полю антенны, не нарушая его строения. Лишь активный вибратор изолирован от штанги и под­ключается к устройству симметрирования и, в случае необходимости, согласования с фидером.

 

Рис.7. Антенна «волновой канал».

 

Ни в каком другом диапазоне волн нет такого разнообразия типов, принципов действия и конструкций антенн, как на ультра­коротких волнах. И это понятно: во-первых, сам диапазон УКВ чрезвычайно широк и по абсолютной частотной вместимости, и по соотношению между крайними частотами; во-вторых, ультра­короткие волны широко применяются не только в области связи и радиовещания, но и во многих других областях радиотехники. Диапазон УКВ позволяет сравнительно легко выполнять антенны, линейные размеры которых не только соизмеримы с длиной волны, но и значительно превосходят её. Это легче осуществить на дециметровых волнах, нежели на метровых, а на сантиметровых - ещё легче, чем на дециметровых. Следовательно, в диапазонах УКВ возможности направленного излучения и приёма очень широки, и чем короче волны диапазона, тем проще достигнуть острой направ­ленности при приемлемых размерах антенны. Вместе с тем, основ­ной способ связи на УКВ — это связь при геометрической видимости между антеннами корреспондентов. Это значит, что корреспон­дентам взаимно известны направления приёма, а потому приме­нение антенн с высокой направленностью не только возможно, но и очень выгодно. То же соображение относится и к приёму радиовещания и телевидения.

На ультракоротких волнах широко распространены зеркаль­ные антенны. В них радиоволны, создаваемые первичным излу­чателем (облучателем), падают на отражающую металлическую поверхность, называемую зеркалом или рефлектором, которая форми­рует нужную диаграмму направленности отражённых от неё волн (рис.8).

Рис.8. Параболическая антенна.

 

В технике связи наиболее распространено зеркало в форме параболоида вращения, который геометрически описывается как результат вращения параболы вокруг своей оси. Наиболее замечательное свойство параболы в том, что в любой её точке луч, исходящий из фокуса и отражаемый через раскрыв PQ, служит продолжением перпендикуляра к директрисе. Иначе говоря, отражённые лучи параллельны между собой.