Enciclopedia scolastica. Propagazione delle onde radio Caratteristiche della propagazione delle onde radio
La radio è uno dei tipi di comunicazione wireless, in cui il vettore del segnale è un'onda radio, che si diffonde ampiamente a distanza. C'è un'opinione secondo cui è impossibile trasmettere segnali radio sott'acqua. Proviamo a capirlo perché è impossibile effettuare comunicazioni radio tra sottomarini, ed è davvero così.
Come funziona la comunicazione radio tra sottomarini:
La propagazione delle onde radio avviene secondo il seguente principio: colui che trasmette un segnale, con una certa frequenza e potenza, imposta l'onda radio. Successivamente, il segnale inviato viene modulato su un'oscillazione ad alta frequenza. Il segnale modulato captato viene emesso da un'antenna speciale a determinate distanze. Quando si riceve un segnale ad onde radio, viene inviato un segnale modulato all'antenna, che viene prima filtrata e demodulata. E solo allora possiamo ricevere il segnale, con una certa distinzione con il segnale, quello che è stato originariamente trasmesso.
Le onde radio con la portata più bassa (VLF, VLF, 3-30 kHz) possono facilmente penetrare nell'acqua di mare, fino a 20 metri di profondità.
Ad esempio, un sottomarino che non è troppo profondo sott'acqua potrebbe utilizzare questa gamma per stabilire e mantenere la comunicazione con l'equipaggio. E se prendiamo un sottomarino, ma situato molto più in profondità sott'acqua, e ha un lungo cavo su cui è attaccata una boa con un'antenna, allora sarà anche in grado di utilizzare questa gamma. A causa del fatto che la boa è installata a una profondità di diversi metri e ha anche dimensioni ridotte, è molto problematico trovarla con il sonar dei nemici. "Goliath", è uno dei primi trasmettitori VLF, costruito durante la seconda guerra mondiale (1943) in Germania, dopo la fine della guerra fu trasportato in URSS e nel 1949-1952 fu rianimato nella regione di Nizhny Novgorod ed è usato lì fino ad oggi.
Fotografia aerea del trasmettitore ELF (Clam Lake, Wisconsin, 1982)
Le onde radio a frequenza più bassa (ELF, ELF, fino a 3 kHz) penetrano facilmente nella crosta terrestre e nei mari. La creazione di un trasmettitore ELF è un compito estremamente difficile a causa dell'enorme lunghezza d'onda, ad esempio il sistema sovietico "ZEUS" genera una frequenza di 82 Hz (lunghezza d'onda - 3658,5 km) e il "Seafarer" americano - 76 Hz (lunghezza d'onda - 3947, 4km). Le loro onde sono commisurate al raggio della Terra. Da qui vediamo che la costruzione di un'antenna dipolo a metà della lunghezza d'onda (lunghezza ≈ 2000 km) è un traguardo irraggiungibile allo stato attuale.
Riassumendo tutto ciò che è stato detto sopra, dobbiamo trovare una tale parte della superficie terrestre che sarà caratterizzata da una conduttività relativamente bassa e attaccare ad essa 2 elettrodi giganti, che si troverebbero a una distanza di 60 chilometri rispetto a l'un l'altro.
Poiché sappiamo che la conduttività specifica della Terra in termini di elettrodi è soddisfacentemente a un livello basso, quindi, la corrente elettrica tra gli elettrodi penetrerebbe fondamentalmente nelle profondità del nostro pianeta, usandoli come elemento di un'antenna gigante. Va notato che la fonte principale delle difficoltà tecniche insolitamente elevate di una tale antenna era che solo l'URSS e gli Stati Uniti avevano trasmettitori ELF.
Le onde radio e la loro distribuzione sono un mistero innegabile per gli aspiranti onde radio. Qui puoi conoscere le basi della teoria della propagazione delle onde radio. Questo articolo ha lo scopo di familiarizzare i fan principianti delle onde radio, così come per coloro che ne hanno una certa conoscenza.
L'introduzione più importante, che spesso si dimentica di dire prima di introdurre la teoria della propagazione delle onde radio, è che le onde radio si propagano intorno al nostro pianeta a causa della riflessione dalla ionosfera e dalla terra come un raggio di luce viene riflesso da specchi traslucidi.
Peculiarità della propagazione delle onde medie e della modulazione incrociata
Le onde medie includono le onde radio con una lunghezza da 1000 a 100 m (frequenze di 0,3 - 3,0 MHz). Le onde medie sono utilizzate principalmente per la trasmissione. E sono anche la culla della pirateria radiofonica domestica. Possono diffondersi per via terrestre e ionosferica. Le onde medie subiscono un assorbimento significativo nella superficie semiconduttiva della Terra, la distanza di propagazione dell'onda terrestre 1 (vedi Fig. 1) è limitata da una distanza di 500-700 km. Su lunghe distanze, le onde radio 2 e 3 sono propagate da un'onda ionosferica (spaziale).
Di notte, le onde medie si propagano per riflessione dallo strato E della ionosfera (vedi Fig. 2), la cui densità elettronica è sufficiente per questo. Durante il giorno, lo strato D si trova nel percorso della propagazione dell'onda, che assorbe le onde medie in modo estremamente forte. Pertanto, a normali potenze di trasmissione, l'intensità del campo elettrico è insufficiente per la ricezione e durante il giorno le onde medie si propagano praticamente solo da un'onda terrestre su distanze relativamente brevi, dell'ordine di 1000 km. Nella gamma di lunghezze d'onda medie, le lunghezze d'onda più lunghe subiscono un minore assorbimento e l'intensità del campo elettrico dell'onda ionosferica è maggiore a lunghezze d'onda maggiori. L'assorbimento aumenta nei mesi estivi e diminuisce nei mesi invernali. I disturbi ionosferici non influenzano la propagazione delle onde medie, poiché lo strato E è leggermente disturbato durante le tempeste magnetiche ionosferiche.
Di notte vedi fig. 1, ad una certa distanza dal trasmettitore (punto B), è possibile l'arrivo sia delle onde spaziali 3 che di superficie 1 e la lunghezza del percorso dell'onda spaziale cambia al variare della densità elettronica della ionosfera. Un cambiamento nella differenza di fase di queste onde porta a un'oscillazione dell'intensità del campo elettrico, chiamata fading di campo vicino.
Le onde 2 e 3 possono arrivare a notevole distanza dal trasmettitore (punto C) attraverso una o due riflessioni dalla ionosfera. Un cambiamento nella differenza di fase tra queste due onde porta anche a un'oscillazione nell'intensità del campo elettrico, chiamata fading di campo lontano.
Per combattere lo sbiadimento all'estremità trasmittente della linea di comunicazione, vengono utilizzate antenne il cui diagramma di radiazione massimo è "premuto" sulla superficie terrestre; queste includono la più semplice antenna "Inverted-V", che viene spesso utilizzata dai radioamatori. Con un tale schema direzionale, la zona di dissolvenza vicina si allontana dal trasmettitore e a grandi distanze il campo dell'onda che arriva attraverso due riflessioni è indebolito.
Sfortunatamente, non tutte le emittenti alle prime armi che lavorano nella gamma di frequenza 1600-3000 kHz sanno che un segnale debole da un trasmettitore a bassa potenza è soggetto a distorsione ionosferica. Il segnale proveniente da trasmettitori radio più potenti è meno suscettibile alla distorsione ionosferica. A causa della ionizzazione non lineare della ionosfera, un segnale debole viene modulato dalla tensione modulante dei segnali provenienti da stazioni potenti. Questo fenomeno è chiamato modulazione incrociata. La profondità del rapporto di modulazione raggiunge il 5-8%. Dal lato della ricezione, l'impressione è di un trasmettitore di cattiva fattura, con tutti i tipi di ronzii e sibili, questo è particolarmente evidente nella modalità di modulazione AM.
A causa della modulazione incrociata, l'intensa interferenza dei fulmini spesso penetra nel ricevitore, che non può essere filtrata: la scarica del fulmine modula il segnale ricevuto. È per questo motivo che le emittenti radiofoniche hanno iniziato a utilizzare trasmettitori a banda laterale singola per la comunicazione radio bidirezionale e hanno iniziato a lavorare più spesso a frequenze più elevate. Le emittenti radiofoniche straniere delle stazioni CB le alimentano e comprimono i segnali modulanti e, per un lavoro non distorto in onda, utilizzano frequenze inverse.
I fenomeni di demodulazione e modulazione incrociata nella ionosfera si osservano solo nella gamma delle onde medie (MW). Nell'intervallo delle onde corte (SW), la velocità di un elettrone sotto l'azione di un campo elettrico è trascurabile rispetto alla sua velocità termica e la presenza di un campo non modifica il numero di collisioni di un elettrone con particelle pesanti.
Le più favorevoli, nella gamma di frequenze da 1500 a 3000 kHz per le comunicazioni a lunga distanza, sono le notti invernali e i periodi di minima attività solare. Le comunicazioni particolarmente a lunga distanza, oltre i 10.000 km, sono generalmente possibili al tramonto e all'alba. Durante il giorno, la comunicazione è possibile fino a una distanza di 300 km. Le emittenti radiofoniche FM libere possono solo invidiare rotte radio così grandi.
Durante l'estate, questa gamma è spesso disturbata da scariche statiche nell'atmosfera.
Caratteristiche della propagazione delle onde corte e loro caratteristiche
Le onde corte comprendono le onde radio con una lunghezza da 100 a 10 m (frequenze 3-30 MHz). Il vantaggio di operare a lunghezze d'onda corte rispetto al funzionamento a lunghezze d'onda più lunghe è che le antenne direzionali possono essere facilmente create in questa gamma. Le onde corte possono propagarsi sia terrestri, nella parte a bassa frequenza della gamma, sia come ionosferiche.
Con l'aumentare della frequenza, aumenta l'assorbimento delle onde nella superficie semiconduttiva della Terra. Pertanto, a potenze di trasmissione convenzionali, le onde terrestri a onde corte si propagano su distanze non superiori a diverse decine di chilometri. Sulla superficie del mare, questa distanza aumenta in modo significativo.
L'onda ionosferica può propagare onde corte per molte migliaia di chilometri e ciò non richiede trasmettitori ad alta potenza. Pertanto, attualmente, le lunghezze d'onda corte sono principalmente utilizzate per la comunicazione e la trasmissione su lunghe distanze.
Le onde corte percorrono lunghe distanze per riflessione dalla ionosfera e dalla superficie terrestre. Questo metodo di propagazione è chiamato jump-like, vedi fig. 2 ed è caratterizzato da distanza di salto, numero di salti, angoli di uscita e di arrivo, frequenza massima utilizzabile (MUF) e frequenza minima utilizzabile (LFR).
Se la ionosfera è uniforme nella direzione orizzontale, anche la traiettoria dell'onda è simmetrica. Tipicamente, la radiazione si verifica in un certo intervallo di angoli, poiché la larghezza del diagramma di radiazione delle antenne a onde corte nel piano verticale è di 10-15 °. La distanza minima di salto per la quale è soddisfatta la condizione di riflessione è chiamata distanza della zona di silenzio (ZM). Per la riflessione d'onda è necessario che la frequenza di lavoro non sia superiore al valore della massima frequenza applicabile (MUF), che è il limite superiore del campo di lavoro per una data distanza. Onda 4.
L'utilizzo delle antenne antiaeree a radiazione, come uno dei metodi per ridurre la zona di silenzio, è limitato al concetto di frequenza massima utilizzabile (MUF), tenendo conto della sua riduzione del 15-20% della MUF. Le antenne di radiazione zenitale vengono utilizzate per la trasmissione nella zona vicina con il metodo della riflessione one-hop dalla ionosfera.
La seconda condizione limita l'intervallo operativo dal basso: più bassa è la frequenza operativa (all'interno dell'intervallo di lunghezze d'onda corte), più forte è l'assorbimento delle onde nella ionosfera. La frequenza minima applicabile (LPF) è determinata dalla condizione che con una potenza del trasmettitore di 1 kW, l'intensità del campo elettrico del segnale dovrebbe superare il livello di rumore e, pertanto, l'assorbimento del segnale negli strati ionosferici non dovrebbe essere superiore a quello consentito uno. La densità elettronica della ionosfera cambia durante il giorno, durante l'anno e durante il periodo di attività solare. Ciò significa che cambiano anche i confini dell'intervallo di lavoro, il che porta alla necessità di modificare la lunghezza d'onda di lavoro durante il giorno.
Gamma di frequenza 1,5-3 MHz,è notturno. È chiaro che per una sessione di comunicazione radio di successo, è necessario scegliere ogni volta la giusta frequenza (lunghezza d'onda), inoltre, questo complica il design della stazione, ma per un vero intenditore di comunicazioni a lunga distanza, questa non è una difficoltà , fa parte di un hobby. Valutiamo la banda HF per sito.
Gamma di frequenza 5-8 MHz,è per molti aspetti simile alla gamma 3 MHz, ea differenza di essa, qui di giorno si possono comunicare fino a 2000 km, la zona di silenzio (ZM) è assente ed è di diverse decine di chilometri. Di notte, la comunicazione è possibile a qualsiasi distanza ad eccezione di 3M, che aumenta fino a diverse centinaia di chilometri. Durante le ore di cambio dell'ora del giorno (tramonto / alba), sono più convenienti per le comunicazioni a lunga distanza. L'interferenza atmosferica è meno pronunciata rispetto alla gamma 1,5-3 MHz.
Nella gamma di frequenza 10-15 MHz durante i periodi di attività solare, le connessioni diurne sono possibili praticamente con qualsiasi punto del mondo. In estate, la durata della comunicazione radio in questa gamma di frequenze è 24 ore su 24, ad eccezione di alcuni giorni. La zona del silenzio di notte ha distanze di 1500-2000 km, e quindi sono possibili solo comunicazioni a lunga distanza. Di giorno, diminuiscono a 400-1000 km.
Gamma di frequenza 27-30 MHz adatto per la comunicazione solo durante le ore diurne. Questa è la gamma più capricciosa. Di solito si apre per diverse ore, giorni o settimane, soprattutto quando cambiano le stagioni, ad es. autunno e primavera. La zona di silenzio (ZM) raggiunge i 2000-2500 km. Questo fenomeno appartiene all'argomento MUF, qui l'angolo dell'onda riflessa deve essere piccolo rispetto alla ionosfera, altrimenti ha una grande attenuazione nella ionosfera, o una semplice fuga nello spazio. Piccoli angoli di radiazione corrispondono a grandi salti e corrispondentemente a grandi zone di silenzio. Durante i periodi di massima attività solare, la comunicazione è possibile di notte.
Oltre ai modelli di cui sopra, sono possibili casi di propagazione anomala di onde radio. Si può verificare una propagazione anomala quando sul percorso dell'onda appare uno strato sporadico, dal quale possono essere riflesse onde più corte, fino a onde metriche. Questo fenomeno può essere osservato in pratica dal passaggio di stazioni televisive lontane e stazioni radio FM. Il MUF del segnale radio durante queste ore raggiunge i 60-100 MHz durante gli anni di attività solare.
VHF FM, ad eccezione di rari casi di propagazione anomala delle onde radio, la propagazione è strettamente dovuta alla cosiddetta "linea di vista". La propagazione delle onde radio all'interno della linea di vista parla da sé ed è dovuta all'altezza delle antenne trasmittente e ricevente. È chiaro che nelle condizioni di sviluppo urbano è impossibile parlare di visibilità visiva e diretta, ma le onde radio attraversano gli edifici urbani con un certo indebolimento. Maggiore è la frequenza, maggiore è l'attenuazione nelle aree urbane. Anche la gamma di frequenza 88-108 MHz è soggetta a una certa attenuazione negli ambienti urbani.
Dissolvenza dei segnali radio HF
La ricezione di onde radio corte è sempre accompagnata da una misurazione del livello del segnale ricevuto, e questo cambiamento è di natura casuale e temporanea. Questo fenomeno è chiamato fading (fading) del segnale radio. In onda si osserva una dissolvenza del segnale veloce e lenta. La profondità di dissolvenza può arrivare fino a diverse decine di decibel.
La causa principale del rapido sbiadimento del segnale è il multipath radio. In questo caso, la causa del fading è l'arrivo al punto di ricezione di due fasci che si propagano attraverso una e due riflessioni dalla ionosfera, onda 1 e onda 3, vedi Fig. 2.
Poiché i raggi percorrono percorsi diversi lungo la distanza, le loro fasi di arrivo non sono le stesse. I cambiamenti nella densità elettronica, che si verificano continuamente nella ionosfera, portano a un cambiamento nella lunghezza del percorso di ciascuno dei raggi e, di conseguenza, a un cambiamento nella differenza di fase tra i raggi. Per cambiare la fase dell'onda di 180°, è sufficiente che la lunghezza del percorso cambi solo di ½. Va ricordato che quando i raggi dello stesso segnale arrivano al punto di ricezione con la stessa intensità e con una differenza di fase di 180 °, vengono completamente sottratti secondo la legge dei vettori e in questo caso l'intensità del segnale in ingresso può essere zero. Tali piccoli cambiamenti nella lunghezza del percorso possono verificarsi continuamente, pertanto le fluttuazioni dell'intensità del campo elettrico nel campo delle onde corte sono frequenti e profonde. L'intervallo di osservazione di 3-7 minuti può essere a basse frequenze nella gamma HF e fino a 0,5 secondi a frequenze più vicine a 30 MHz.
Inoltre, la dissolvenza del segnale è causata dalla dispersione delle onde radio da irregolarità ionosferiche e dall'interferenza delle onde disperse.
Oltre alla dissolvenza delle interferenze, sulle lunghezze d'onda corte, si verifica la dissolvenza della polarizzazione. La causa della dissolvenza della polarizzazione è la rotazione del piano di polarizzazione dell'onda rispetto all'antenna ricevuta. Ciò si verifica quando l'onda si propaga nella direzione delle linee di forza del campo magnetico terrestre e con una variazione della densità elettronica della ionosfera. Se le antenne trasmittente e ricevente sono vibratori orizzontali, allora l'onda polarizzata orizzontalmente irradiata, dopo aver attraversato la ionosfera, subirà una rotazione del piano di polarizzazione. Questo porta a fluttuazioni in e. ecc., indotto nell'antenna, che ha un'ulteriore attenuazione fino a 10 dB.
In pratica, tutte le cause indicate di fading del segnale agiscono, di regola, in modo complesso e obbediscono alla legge di distribuzione di Rayleigh descritta.
Oltre alla dissolvenza rapida, si osserva una dissolvenza lenta, che si osserva con un periodo di 40-60 minuti nella parte a bassa frequenza della gamma HF. La ragione di questi sbiadimenti è il cambiamento nell'assorbimento delle onde radio nella ionosfera. La distribuzione dell'ampiezza dell'inviluppo del segnale a lenta dissolvenza obbedisce a una legge normalmente logaritmica con una diminuzione del segnale a 8-12 dB.
Per combattere lo sbiadimento, la ricezione della diversità viene utilizzata a lunghezze d'onda corte. Il fatto è che l'aumento e la diminuzione dell'intensità del campo elettrico non si verificano contemporaneamente, anche su un'area relativamente piccola della superficie terrestre. Nella pratica della comunicazione a onde corte, di solito vengono utilizzate due antenne, separate da una distanza di diverse lunghezze d'onda, e i segnali vengono aggiunti dopo il rilevamento. La diversità di polarizzazione dell'antenna è efficace, ovvero la ricezione simultanea su antenne verticali e orizzontali con successiva aggiunta di segnale dopo il rilevamento.
Va notato che queste misure di controllo sono efficaci solo per eliminare la dissolvenza rapida, i cambiamenti lenti del segnale non vengono eliminati, poiché ciò è associato a un cambiamento nell'assorbimento delle onde radio nella ionosfera.
Nella pratica radioamatoriale, il metodo dell'antenna a diversità viene utilizzato abbastanza raramente, a causa del suo alto costo strutturale e della mancanza della necessità di ricevere informazioni sufficientemente affidabili. Ciò è dovuto al fatto che i dilettanti usano spesso antenne risonanti e a banda, il cui numero nella sua famiglia è di circa 2-3 pezzi. L'uso della ricezione in diversità richiede almeno il raddoppio del parco antenne.
Un'altra cosa è che quando un dilettante vive in una zona rurale, pur disponendo di un'area sufficiente per ospitare una struttura anti-sbiadimento, può semplicemente utilizzare due vibratori a banda larga per questo, coprendo tutte o quasi le gamme necessarie. Un vibratore dovrebbe essere verticale, l'altro orizzontale. Per questo non è affatto necessario avere più alberi. È sufficiente posizionarli così, su un albero, in modo che siano orientati l'uno rispetto all'altro con un angolo di 90 °. Le due antenne, in questo caso, assomiglieranno alla ben nota antenna "Inverted-V".
Calcolo del raggio di copertura con un segnale radio nelle bande VHF/FM
Le frequenze della gamma del metro sono distribuite all'interno della linea di vista. Il raggio di propagazione di un'onda radio all'interno della linea di vista, senza tener conto della potenza di radiazione del trasmettitore e di altri fenomeni naturali che riducono l'efficienza della comunicazione, si presenta così:
r = 3,57 (√h1 + √h2), km,
Calcola i raggi della linea di vista quando si installa l'antenna ricevente a diverse altezze, dove h1 è un parametro, h2 = 1,5 m. Riassumiamoli nella Tabella 1.
Tabella 1
| h1 (m) | 10 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 50 | 60 |
| r (km) | 15,6 | 20,3 | 22.2 | 24 | 25.5 | 27,0 | 29,6 | 32 |
Questa formula non tiene conto dell'attenuazione del segnale e della potenza del trasmettitore, parla solo della possibilità di linea di vista, tenendo conto del terreno perfettamente circolare.
Facciamo un calcolo il livello di segnale radio richiesto insieme alla ricezione per una lunghezza d'onda di 3 m.
Poiché sui percorsi tra la stazione trasmittente e l'oggetto in movimento ci sono sempre fenomeni come riflessione, dispersione, assorbimento di segnali radio da parte di vari oggetti, ecc., dovrebbero essere apportate correzioni al livello di attenuazione del segnale, suggerito da un giapponese scienziato Okumura. La deviazione standard per questo intervallo con edifici urbani sarà di 3 dB e, con una probabilità di comunicazione del 99%, introdurremo un fattore 2, che renderà la correzione totale P nel livello del segnale radio in
P = 3 × 2 = 6 dB.
La sensibilità dei ricevitori è determinata dal rapporto tra il segnale utile e il rumore di 12 dB, ad es. 4 volte. Tale rapporto non è accettabile per la trasmissione di alta qualità, quindi introdurremo una correzione aggiuntiva di 12-20 dB, accetteremo 14 dB.
In totale, la correzione totale del livello del segnale ricevuto, tenendo conto della sua attenuazione lungo il percorso e delle specifiche del dispositivo ricevente, sarà: 6 + 16 20 dB (10 volte). Quindi, con una sensibilità del ricevitore di 1,5 μV. nel sito ricevente, un campo con un'intensità di 15 μV/m.
Calcola usando la formula di Vvedensky portata a una data intensità di campo di 15 μV / m, tenendo conto della potenza del trasmettitore, della sensibilità del ricevitore e delle aree urbane:
dove r è km; - kW; G - dB (= 1); h - m; - m; E - mV.
Questo calcolo non tiene conto del guadagno dell'antenna ricevente, nonché dell'attenuazione nell'alimentatore e del filtro passa-banda.
Risposta: Con una potenza di 10 W, un'altezza di radiazione di h1 = 27 metri e h2 = 1,5 m, una ricezione radio di altissima qualità con un raggio negli edifici urbani sarà di 2,5-2,6 km. Se teniamo conto del fatto che la ricezione dei segnali radio dal tuo trasmettitore radio verrà effettuata ai piani medio e alto degli edifici residenziali, questa gamma aumenterà di circa 2-3 volte. Se ricevi segnali radio su un'antenna remota, la portata sarà di decine di chilometri.
73! UA9LBG e Radio-Vector-Tyumen
Le leggi di propagazione delle onde radio nello spazio libero sono relativamente semplici, ma molto spesso l'ingegneria radiofonica non si occupa dello spazio libero, ma della propagazione delle onde radio sulla superficie terrestre. Come dimostrano l'esperienza e la teoria, la superficie terrestre influenza fortemente la propagazione delle onde radio, e sia le proprietà fisiche della superficie, ad esempio gli sversamenti tra mare e terra, sia la sua forma geometrica (la curvatura generale della superficie, per esempio, le differenze tra il mare e la terra) e la sua forma geometrica (la curvatura generale della superficie terrestre e le singole irregolarità nel rilievo - montagne, gole, ecc.). Questo effetto è diverso per onde di diversa lunghezza d'onda e per onde di diversa lunghezza e per diverse distanze tra trasmettitore e ricevitore.
L'influenza esercitata sulla propagazione delle onde radio dalla forma della superficie terrestre è chiara dalla precedente. Dopotutto, abbiamo qui, in sostanza, varie manifestazioni della diffrazione delle onde provenienti dall'emettitore (§ 41), sia sul globo nel suo insieme che su singole caratteristiche del rilievo. Sappiamo che la diffrazione è fortemente dipendente dalla relazione tra la lunghezza d'onda e la dimensione del corpo nel percorso dell'onda. Non sorprende, quindi, che la curvatura della superficie terrestre e il suo rilievo abbiano effetti diversi sulla propagazione di onde di diversa lunghezza.
Quindi, ad esempio, una catena montuosa proietta "ombra radio" nel caso di onde corte, mentre onde piuttosto lunghe (diversi chilometri) aggirano bene questo ostacolo e sul pendio della montagna di fronte alla stazione radio sono leggermente indebolite (Fig. 147).
Riso. 147. La montagna scende "ombra radio" in caso di onde corte. Onde lunghe fanno il giro della montagna
Per quanto riguarda il globo nel suo insieme, è estremamente grande anche rispetto alle onde più lunghe utilizzate nella radio. Onde molto corte, ad esempio quelle del metro, non avvolgono in modo evidente oltre l'orizzonte, cioè oltre la linea di vista. Più lunghe sono le onde, meglio girano intorno alla superficie del globo, ma anche la più lunga delle onde applicate non potrebbe, a causa della diffrazione, avvolgere così tanto da fare il giro del globo - da noi agli antipodi. Se, tuttavia, la comunicazione radio viene effettuata tra qualsiasi punto del globo e con onde di lunghezze molto diverse, ciò è possibile non a causa della diffrazione, ma per una ragione completamente diversa, di cui parleremo un po' più avanti.
L'influenza delle proprietà fisiche della superficie terrestre sulla propagazione delle onde radio è dovuta al fatto che sotto l'influenza di queste onde nel suolo e nell'acqua di mare sorgono correnti elettriche ad alta frequenza, che sono più forti vicino all'antenna del trasmettitore . Parte dell'energia delle onde radio viene spesa per mantenere queste correnti, che rilasciano la corrispondente quantità di calore Joule nel suolo o nell'acqua. Queste perdite di energia (e quindi l'attenuazione dell'onda dovuta alle perdite) dipendono, da un lato, dalla conducibilità del suolo, e dall'altro, dalla lunghezza d'onda. Le onde corte sono attenuate molto più di quelle lunghe. Con una buona conduttività (acqua di mare), le correnti ad alta frequenza penetrano a una profondità inferiore dalla superficie rispetto a una scarsa conduttività (terreno) e la perdita di energia nel primo caso è significativamente inferiore. Di conseguenza, la portata operativa dello stesso trasmettitore risulta essere molto (più volte) maggiore quando le onde si propagano sul mare rispetto a quando si propagano sulla terra.
Abbiamo già notato che la propagazione delle onde radio su distanze molto lunghe non può essere spiegata dalla diffrazione in tutto il mondo. Nel frattempo, la comunicazione radio a lunga distanza (diverse migliaia di chilometri) è stata effettuata già nei primi anni dopo l'invenzione della radio. Al giorno d'oggi, ogni radioamatore sa che onde lunghe (più) e onde medie 
le stazioni nelle notti invernali si sentono a una distanza di molte migliaia di chilometri, mentre durante il giorno, soprattutto nei mesi estivi, queste stesse stazioni si sentono a una distanza di poche centinaia di chilometri. Nella gamma delle onde corte 
la situazione è diversa. Qui, in qualsiasi momento della giornata e in qualsiasi momento dell'anno, puoi trovare tali lunghezze d'onda alle quali qualsiasi distanza viene coperta in modo affidabile. Per garantire una comunicazione 24 ore su 24, devi lavorare in diversi momenti della giornata su onde di diversa lunghezza. La dipendenza dell'intervallo di propagazione delle onde radio dal periodo dell'anno e dal giorno ha reso necessario associare le condizioni di propagazione delle onde radio sulla Terra all'influenza del Sole. Questa connessione è ora ben studiata e spiegata.
Il sole emette, insieme alla luce visibile, una forte radiazione ultravioletta e un gran numero di particelle cariche veloci, che, cadendo nell'atmosfera terrestre, ionizzano fortemente le sue regioni superiori. Di conseguenza, si formano diversi strati di gas ionizzati, situati a diverse altezze. 
.
La presenza di tali tracce ha dato motivo di chiamare ionosfera gli strati superiori dell'atmosfera terrestre.
La presenza di ioni ed elettroni liberi conferisce alla ionosfera proprietà che la distinguono nettamente dal resto dell'atmosfera. Pur conservando la capacità di trasmettere la luce visibile, la radiazione infrarossa e le onde radio misurate, la ionosfera riflette fortemente le onde più lunghe; per tali onde (più) la terra è circondata da una sorta di "specchio" sferico e la propagazione di queste onde radio avviene tra due superfici sferiche riflettenti: la superficie della Terra e la "superficie" della ionosfera (Fig. 148 ). Ecco perché le onde radio sono in grado di piegarsi in tutto il mondo.
Riso. 148. L'onda va tra la Terra e la ionosfera
Naturalmente, le parole "superficie dello specchio sferico della ionosfera" non dovrebbero essere prese alla lettera. Gli strati ionizzati non hanno un confine netto, inoltre non si osserva la corretta forma sferica (almeno contemporaneamente in tutto il globo); la ionizzazione è diversa nei diversi strati (negli strati superiori è maggiore che in quelli inferiori) e gli strati stessi sono costituiti da "nuvole" in continuo movimento e cambiamento. Un tale "specchio" disomogeneo non solo riflette, ma assorbe e disperde anche le onde radio, e di nuovo in modo diverso a seconda della lunghezza d'onda. Inoltre, le proprietà dello "specchio" cambiano nel tempo. Durante il giorno, sotto l'azione della radiazione solare, la ionizzazione è significativamente maggiore rispetto alla notte, quando avviene solo la riunificazione di ioni positivi ed elettroni negativi in molecole neutre (ricombinazione). La differenza di ionizzazione tra giorno e notte è particolarmente grande negli strati inferiori della ionosfera. Qui, la densità dell'aria è maggiore, le collisioni tra ioni ed elettroni si verificano più spesso e la ricombinazione è più intensa. Durante la notte, la ionizzazione degli strati inferiori della ionosfera può avere il tempo di scendere a zero. La ionizzazione è anche diversa a seconda della stagione, cioè dell'altezza del sorgere del Sole sopra l'orizzonte.
Lo studio dei cambiamenti diurni e stagionali dello stato della ionosfera ha permesso non solo di spiegare, ma anche di prevedere le condizioni per il passaggio di onde radio di diversa lunghezza in diversi momenti della giornata e dell'anno (previsioni radio).
La presenza della ionosfera non solo rende possibile la comunicazione a onde corte su lunghe distanze, ma consente anche alle onde radio di girare talvolta intorno all'intero globo, e anche più volte. Per questo motivo durante la ricezione radio si verifica un fenomeno peculiare, il cosiddetto eco radio, in cui il segnale viene percepito dal ricevitore più volte: dopo l'arrivo del segnale lungo il percorso più breve dal trasmettitore, si possono udire segnali ripetuti che hanno fatto il giro del mondo.
Accade spesso che un'onda viaggi da un trasmettitore a un ricevitore lungo più percorsi diversi, avendo subito un diverso numero di riflessioni dalla ionosfera e dalla superficie terrestre (Fig. 149). Ovviamente le onde provenienti dallo stesso trasmettitore sono coerenti e possono interferire nel punto ricevente, indebolendosi o amplificandosi a vicenda a seconda della differenza di percorso. Poiché la ionosfera non è uno "specchio" assolutamente stabile, ma cambia nel tempo, cambia anche la differenza nei percorsi delle onde che arrivano lungo percorsi diversi dal trasmettitore al ricevitore, con conseguente amplificazione, ecc. Possiamo dire che le frange di interferenza "strisciano" sulle superfici della Terra, e il ricevitore è ora al massimo, ora al minimo di oscillazioni. Nella trasmissione ricevuta si ottiene una variazione della buona udibilità e della dissolvenza della ricezione, in cui l'udibilità può scendere a zero.
Riso. 149. Differenti percorsi d'onda dal trasmettitore al ricevitore
Un fenomeno simile si osserva sullo schermo del televisore se un aereo sorvola nelle vicinanze dell'antenna ricevente. L'onda radio riflessa dal velivolo interferisce con l'onda proveniente dalla stazione trasmittente, e vediamo come l'immagine "lampeggia" per il fatto che le "bande" di interferenza di guadagno e attenuazione alternate del segnale scorrono (dovute al movimento di l'aereo) oltre l'antenna ricevente.
Si noti che quando si riceve una trasmissione televisiva in una città, si osserva abbastanza spesso il raddoppio (e persino la "moltiplicazione") dell'immagine sullo schermo del cinescopio: è costituito da due o più immagini, in vari gradi, spostate orizzontalmente l'una rispetto all'altra. Questo è il risultato della riflessione delle onde radio provenienti da case, torri, ecc. Le onde riflesse percorrono un percorso più lungo della distanza tra le antenne trasmittente e ricevente, e quindi sono ritardate nel dare l'immagine. spostato nella direzione di scansione del fascio di elettroni nel CRT. In sostanza, stiamo assistendo qui con i nostri occhi al risultato della propagazione di onde radio a velocità finita.
La trasparenza della ionosfera per le onde radio, la cui lunghezza è minore, ha permesso di rilevare emissioni radio provenienti da sorgenti extraterrestri. È apparso anche negli anni '40. del nostro secolo, la radioastronomia si sta sviluppando rapidamente, il che ha aperto nuove possibilità per lo studio dell'Universo, oltre a quelle disponibili per l'astronomia ordinaria (ottica). Vengono costruiti sempre più radiotelescopi, le dimensioni delle loro antenne aumentano, la sensibilità dei ricevitori aumenta e, di conseguenza, il numero e la varietà delle radiosorgenti extraterrestri scoperte è in costante aumento.
Si è scoperto che le onde radio sono emesse sia dal Sole che dai pianeti, e al di fuori del nostro sistema solare: molte nebulose e le cosiddette supernove. Molte fonti di emissione radio vengono scoperte al di fuori del nostro sistema stellare (Galaxy). Fondamentalmente, questi sono altri sistemi galattici e solo una piccola parte di essi è identificata con nebulose osservate otticamente. Sono state scoperte anche "radiogalassie" a distanze così grandi da noi (molti miliardi di anni) che sono fuori dalla portata dei più potenti telescopi ottici moderni. Sono state scoperte intense sorgenti di emissione radio con dimensioni angolari molto piccole (frazioni di secondo d'arco). Inizialmente, erano considerate un tipo speciale di stelle appartenenti alla nostra Galassia, e quindi erano chiamate sorgenti quasi-stellari o quasar. Ma dal 1962 è diventato chiaro che i quasar sono oggetti extragalattici con un enorme potere di emissione radio.
Sorgenti radio individuali o, come si dice, discrete nella nostra Galassia emettono un'ampia gamma di lunghezze d'onda. Ma è stata scoperta anche un'emissione radio "monocromatica" con una lunghezza d'onda emessa dall'idrogeno interstellare. Lo studio di questa radiazione ha permesso di trovare la massa totale dell'idrogeno interstellare e stabilire come è distribuito in tutta la Galassia. Più recentemente, è stato possibile rilevare emissioni radio monocromatiche a lunghezze d'onda caratteristiche di altri elementi chimici.
Per tutte le sorgenti di emissione radio sopra menzionate, l'intensità è molto costante. Solo in alcuni casi (in particolare, vicino al Sole) vengono osservati singoli lampi casuali di emissione radio su uno sfondo generale costante. Il 1968 fu segnato da una nuova scoperta della radioastronomia di grande importanza: furono scoperte sorgenti (per lo più situate all'interno della Galassia) che emettevano impulsi di onde radio rigorosamente periodici. Queste sorgenti sono chiamate pulsar. I periodi di ripetizione degli impulsi per le diverse pulsar sono diversi e vanno da pochi secondi a pochi centesimi di secondo o anche meno. La natura dell'emissione radio delle pulsar sembra ricevere la spiegazione più plausibile se assumiamo che le pulsar siano stelle rotanti, costituite principalmente da neutroni (stelle di neutroni). La scoperta e la possibilità di osservare tali stelle è il grande significato scientifico di questa scoperta di radioastronomia.
Oltre a ricevere la propria emissione radio dai corpi del sistema solare, viene utilizzato anche il loro radar. Questa è la cosiddetta astronomia radar. Ricevendo i segnali radio di potenti radar riflessi da uno qualsiasi dei pianeti, si può misurare molto accuratamente la distanza di questo pianeta, stimare la velocità della sua rotazione attorno all'asse e giudicare (dall'intensità della riflessione delle onde radio di varie lunghezze ) sulle proprietà della superficie e dell'atmosfera del pianeta.
In conclusione, notiamo che la trasparenza della ionosfera per onde radio sufficientemente corte consente anche di effettuare tutti i tipi di comunicazioni radio con satelliti terrestri artificiali e veicoli spaziali (comunicazione propriamente detta, radiocomando, televisione, nonché telemetria - la trasmissione di letture di vari strumenti di misura a terra). Per lo stesso motivo, ora è possibile utilizzare onde radio misuratrici per la comunicazione e la televisione tra punti della superficie terrestre molto distanti tra loro (ad esempio tra Mosca e le nostre città dell'Estremo Oriente), utilizzando un unico relè di trasmissioni da satelliti speciali su cui sono installate apparecchiature radio riceventi e trasmittenti.
Gamma di frequenze radio e suo uso per le comunicazioni radio
2.1 Nozioni di base sulla propagazione radio
La comunicazione radio fornisce la trasmissione di informazioni a distanza utilizzando onde elettromagnetiche (onde radio).
Onde radio- si tratta di oscillazioni elettromagnetiche che si propagano nello spazio alla velocità della luce (300.000 km/sec). A proposito, la luce si riferisce anche alle onde elettromagnetiche, che determina le loro proprietà molto simili (riflessione, rifrazione, attenuazione, ecc.).
Le onde radio trasportano l'energia emessa da un oscillatore elettromagnetico attraverso lo spazio. E nascono quando il campo elettrico cambia, ad esempio quando una corrente elettrica alternata passa attraverso un conduttore o quando delle scintille scivolano nello spazio, ad es. una serie di impulsi di corrente che si susseguono rapidamente uno dopo l'altro.
Riso. 2.1 Struttura di un'onda elettromagnetica.
La radiazione elettromagnetica è caratterizzata da frequenza, lunghezza d'onda e potenza dell'energia trasmessa. La frequenza delle onde elettromagnetiche mostra quante volte al secondo cambia la direzione della corrente elettrica nell'emettitore e, quindi, quante volte al secondo cambia la grandezza dei campi elettrico e magnetico in ogni punto dello spazio.
La frequenza è misurata in hertz (Hz) - unità che prendono il nome dal grande scienziato tedesco Heinrich Rudolf Hertz. 1Hz è un'oscillazione al secondo, 1 MegaHertz (MHz) è un milione di oscillazioni al secondo. Sapendo che la velocità di movimento delle onde elettromagnetiche è uguale alla velocità della luce, è possibile determinare la distanza tra i punti nello spazio in cui il campo elettrico (o magnetico) è nella stessa fase. Questa distanza è chiamata lunghezza d'onda.
La lunghezza d'onda (in metri) viene calcolata utilizzando la formula:
, o all'incirca
dove f è la frequenza della radiazione elettromagnetica in MHz.
Si può vedere dalla formula che, ad esempio, una frequenza di 1 MHz corrisponde a una lunghezza d'onda di circa 300 m. Con un aumento della frequenza la lunghezza d'onda diminuisce, con una diminuzione aumenta.
Le onde elettromagnetiche attraversano liberamente l'aria o lo spazio esterno (vuoto). Ma se un filo metallico, un'antenna o qualsiasi altro corpo conduttore si incontra sul percorso di un'onda, allora gli danno la loro energia, causando così una corrente elettrica alternata in questo conduttore. Ma non tutta l'energia delle onde viene assorbita dal conduttore; parte di essa viene riflessa dalla superficie. A proposito, l'uso delle onde elettromagnetiche nel radar si basa su questo.
Un'altra proprietà utile delle onde elettromagnetiche (tuttavia, come qualsiasi altra onda) è la loro capacità di piegarsi attorno ai corpi nel loro cammino. Ma questo è possibile solo nel caso in cui la dimensione del corpo sia inferiore alla lunghezza d'onda o paragonabile ad essa. Ad esempio, per rilevare un aeroplano, la lunghezza dell'onda radio radar deve essere inferiore alle sue dimensioni geometriche (meno di 10 m). Se il corpo è più lungo della lunghezza d'onda, può rifletterla. Ma potrebbe non riflettere - ricorda "Stealth".
L'energia trasportata dalle onde elettromagnetiche dipende dalla potenza del generatore (emettitore) e dalla distanza da esso, ad es. il flusso di energia per unità di superficie è direttamente proporzionale alla potenza di radiazione ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza dal radiatore. Ciò significa che il raggio di comunicazione dipende dalla potenza del trasmettitore, ma in misura molto maggiore dalla distanza da esso.
Ad esempio, il flusso di energia della radiazione elettromagnetica dal Sole alla superficie terrestre raggiunge 1 kilowatt per metro quadrato, mentre il flusso di energia di una stazione radio a onde medie è solo millesimi o addirittura milionesimi di watt per metro quadrato.
2.2 Allocazione dello spettro radio
Le onde radio (radiofrequenze) utilizzate nell'ingegneria radiofonica coprono uno spettro da 10.000 m (30 kHz) a 0,1 mm (3.000 GHz). Questa è solo una parte del vasto spettro delle onde elettromagnetiche. Le onde radio (in lunghezza decrescente) sono seguite da calore o raggi infrarossi. Dopo di loro c'è una sezione ristretta di onde luminose visibili, quindi - lo spettro dei raggi ultravioletti, raggi X e gamma - tutte queste sono oscillazioni elettromagnetiche della stessa natura, che differiscono solo per lunghezza d'onda e, quindi, per frequenza.
Sebbene l'intero spettro sia diviso in regioni, i confini tra loro sono approssimativamente delineati. Le regioni si susseguono continuamente, si trasmettono l'una nell'altra e in alcuni casi si sovrappongono.
Ma queste gamme sono molto estese e, a loro volta, sono suddivise in sezioni, che comprendono le cosiddette bande radiotelevisive, gamme per comunicazioni terrestri e aeronautiche, spaziali e marittime, per trasmissione dati e medicina, per radar e radionavigazione, eccetera. Ad ogni servizio radio è assegnata una propria sezione di gamma o frequenze fisse. In realtà, ai fini della comunicazione radio, vengono utilizzate oscillazioni nella gamma di frequenze da 10 kHz a 100 GHz. L'uso di un particolare intervallo di frequenza per la comunicazione dipende da molti fattori, in particolare dalle condizioni di propagazione delle onde radio di diverse gamme, dalla gamma di comunicazione richiesta, dalla fattibilità dei valori di potenza del trasmettitore nell'intervallo di frequenza selezionato, ecc.
Per accordi internazionali, l'intero spettro delle onde radio utilizzate nelle comunicazioni radio è suddiviso in bande (Tabella 1):
Tabella 1
| Numero di articolo | Nome dell'intervallo | Confini dell'intervallo | |||
| Onde | Termini obsoleti | frequenze | Onde radio | frequenze | |
| 1 | DKMMGVDecaMega Meter | Frequenze estremamente basse (ELF) | 100.000-10.000 km | 3-30 Hz | |
| 2 | MGMV | Frequenze ultra basse (ELF) | 10.000-1.000 km | 30-3.000Hz | |
| 3 | GCMMVHect-chilometro | Frequenze infra-basse (LF) | 1.000-100 km | 0,3-3kHz | |
| 4 | MRMV | ADV | Frequenza molto bassa (VLF) VLF | 100-10 km | 3-30kHz |
| 5 | KMVChilometro | DV | Basse frequenze (LF) LF | 10-1 km | 30-300kHz |
| 6 | GCMVEttametro | SV | Medie frequenze (MF) VF | 1000-100 m | 0,3-3 MHz |
| 7 | DKMVDecametro | Kv | Alti (HF) HF | 100-10 m | 3-30 MHz |
| 8 | MVMeter | VHF | Frequenza molto alta (VHF) VHF | 10-1 m | 30-300 MHz |
| 9 | DCMV | VHF | Ultra alta frequenza (UHF) UHF | 10-1 dm | 0,3-3 GHz |
| 10 | SMVS centimetro | VHF | SHF ad altissima frequenza (SHF) | 10-1 cm | 3-30 GHz |
| 11 | MMVMillimetro | VHF | EHF ad altissima frequenza (EHF) | 10-1 mm | 30-300 GHz |
| 12 | DCMMVDecimilli- metro Submilli- metro |
SOMMA | Frequenze iperalte (HHF) | 1-0.1 mm | 0,3-3 THz |
| 13 | Leggero | < 0,1 мм | > 3 THz | ||
Riso. 2.2 Un esempio di allocazione dello spettro tra diversi servizi.
Le onde radio vengono irradiate attraverso l'antenna nello spazio e propagate come energia in un campo elettromagnetico. Sebbene la natura delle onde radio sia la stessa, la loro capacità di propagazione dipende fortemente dalla lunghezza d'onda.
Per le onde radio, la terra è un conduttore di elettricità (sebbene non molto buono). Passando sulla superficie della terra, le onde radio si indeboliscono gradualmente. Ciò è dovuto al fatto che le onde elettromagnetiche eccitano correnti elettriche nella superficie della terra, per le quali viene spesa parte dell'energia. Quelli. l'energia viene assorbita dalla terra, e tanto maggiore quanto minore è la lunghezza d'onda (frequenza maggiore).
Inoltre, l'energia dell'onda si indebolisce anche perché la radiazione si propaga in tutte le direzioni dello spazio e, quindi, più lontano dal trasmettitore è il ricevitore, meno energia è per unità di superficie e meno entra nell'antenna.
Le stazioni di trasmissione a onde lunghe possono essere ricevute a una distanza fino a diverse migliaia di chilometri e il livello del segnale diminuisce gradualmente, senza salti. Le stazioni a onde medie possono essere ascoltate entro un migliaio di chilometri. Per quanto riguarda le onde corte, la loro energia diminuisce bruscamente con la distanza dal trasmettitore. Ciò spiega il fatto che agli albori dello sviluppo radiofonico, le onde da 1 a 30 km venivano utilizzate principalmente per la comunicazione. Le onde inferiori a 100 metri erano generalmente considerate inadatte alle comunicazioni a lunga distanza.
Tuttavia, ulteriori studi sulle onde corte e ultracorte hanno dimostrato che decadono rapidamente quando viaggiano vicino alla superficie terrestre. Quando la radiazione è diretta verso l'alto, le onde corte ritornano.
Nel 1902, il matematico inglese Oliver Heaviside e l'ingegnere elettrico americano Arthur Edwin Kennelly predissero quasi contemporaneamente che esiste uno strato di aria ionizzata sopra la Terra - uno specchio naturale che riflette le onde elettromagnetiche. Questo strato è stato chiamato ionosfera.
La ionosfera della Terra avrebbe dovuto consentire di aumentare il raggio di propagazione delle onde radio a distanze superiori alla linea di vista. Questa ipotesi è stata provata sperimentalmente nel 1923. Gli impulsi RF sono stati trasmessi verticalmente verso l'alto e sono stati ricevuti i segnali di ritorno. Le misurazioni del tempo tra l'invio e la ricezione degli impulsi hanno permesso di determinare l'altezza e il numero di strati di riflessione.
2.3 Influenza dell'atmosfera sulla propagazione delle onde radio
La natura della propagazione delle onde radio dipende dalla lunghezza d'onda, dalla curvatura della Terra, dal suolo, dalla composizione atmosferica, dall'ora del giorno e dell'anno, dallo stato della ionosfera, dal campo magnetico terrestre e dalle condizioni meteorologiche.
Considera la struttura dell'atmosfera, che ha un impatto significativo sulla propagazione delle onde radio. Il contenuto di umidità e la densità dell'aria cambiano a seconda dell'ora del giorno e dell'anno.
L'aria che circonda la superficie terrestre forma un'atmosfera alta circa 1000-2000 km. La composizione dell'atmosfera terrestre è eterogenea.
Riso. 2.3 La struttura dell'atmosfera.
Gli strati dell'atmosfera fino a circa 100-130 km di altezza sono di composizione omogenea. Questi strati contengono aria contenente (in volume) il 78% di azoto e il 21% di ossigeno. Lo strato inferiore dell'atmosfera spesso 10-15 km (Fig. 2.3) è chiamato troposfera... Questo strato contiene vapore acqueo, il cui contenuto fluttua bruscamente con le mutevoli condizioni meteorologiche.
La troposfera si trasforma gradualmente in stratosfera... Il limite è l'altezza alla quale si ferma la caduta di temperatura.
Ad altitudini di circa 60 km e oltre sopra la Terra, sotto l'influenza dei raggi solari e cosmici, nell'atmosfera avviene la ionizzazione dell'aria: alcuni degli atomi decadono in liberi elettroni e ioni... Nell'alta atmosfera, la ionizzazione è trascurabile, poiché il gas è molto rarefatto (c'è un piccolo numero di molecole per unità di volume). Man mano che i raggi del sole penetrano negli strati più densi dell'atmosfera, il grado di ionizzazione aumenta. Con l'avvicinamento alla Terra, l'energia dei raggi solari diminuisce e il grado di ionizzazione diminuisce nuovamente. Inoltre, negli strati inferiori dell'atmosfera, a causa dell'elevata densità, le cariche negative non possono esistere per lungo tempo; c'è un processo di ripristino delle molecole neutre.
La ionizzazione in un'atmosfera rarefatta ad altitudini di 60-80 km dalla Terra e oltre persiste a lungo. A queste altitudini, l'atmosfera è molto rarefatta, la densità di elettroni e ioni liberi è così bassa che le collisioni, e quindi il ripristino degli atomi neutri, sono relativamente rare.
L'atmosfera superiore è chiamata ionosfera. L'aria ionizzata ha un effetto significativo sulla propagazione delle onde radio.
Durante il giorno si formano quattro strati regolari o massimi di ionizzazione: strati D, E, F 1 e F 2. Lo strato F 2 ha la più alta ionizzazione (il maggior numero di elettroni liberi per unità di volume).
Dopo il tramonto, le radiazioni ionizzanti diminuiscono drasticamente. Si verifica il ripristino di molecole e atomi neutri, che porta ad una diminuzione del grado di ionizzazione. Gli strati scompaiono completamente di notte D e F 2, ionizzazione a strati E diminuisce notevolmente e lo strato F 2 mantiene la ionizzazione con una certa attenuazione.
Riso. 2.4 Dipendenza della propagazione delle onde radio dalla frequenza e dall'ora del giorno.
L'altezza degli strati della ionosfera cambia continuamente a seconda dell'intensità dei raggi solari. Durante il giorno, l'altezza degli strati ionizzati è inferiore, di notte è più alta. In estate, alle nostre latitudini, la concentrazione di elettroni degli strati ionizzati è maggiore che in inverno (ad eccezione dello strato F 2). Il grado di ionizzazione dipende anche dal livello di attività solare, determinato dal numero di macchie sul sole. Il periodo di attività solare è di circa 11 anni.
A latitudini polari si osservano processi di ionizzazione irregolari associati ai cosiddetti disturbi ionosferici.
Ci sono diversi percorsi che un'onda radio intraprende per raggiungere l'antenna ricevente. Come già notato, le onde radio che si propagano al di sopra della superficie terrestre e la avvolgono a causa del fenomeno della diffrazione sono chiamate onde di superficie o terrestri (direzione 1, Fig. 2.5). Le onde che si propagano nelle direzioni 2 e 3 sono chiamate spaziale... Si dividono in ionosferiche e troposferiche. Questi ultimi si osservano solo nella gamma VHF. Ionosferico le onde sono chiamate, riflesse o disperse dalla ionosfera, troposferico- onde riflesse o disperse da strati disomogenei o "grani" della troposfera.
Riso. 2.5 Modi di propagazione delle onde radio.
Onda di superficie la base del suo fronte tocca la Terra, come mostrato in Fig. 2.6. Con una sorgente puntiforme, quest'onda ha sempre polarizzazione verticale, poiché la componente orizzontale dell'onda viene assorbita dalla Terra. Con una distanza sufficiente dalla sorgente, espressa in lunghezze d'onda, qualsiasi segmento del fronte d'onda è un'onda piana.
La superficie della Terra assorbe parte dell'energia delle onde superficiali che si propagano lungo di essa, poiché la Terra ha una resistenza attiva.
Riso. 2.6 Propagazione delle onde di superficie.
Più corta è l'onda, ad es. maggiore è la frequenza, maggiore è la corrente indotta nella Terra e maggiore è la perdita. Le perdite nella Terra diminuiscono con l'aumentare della conduttività del suolo, poiché le onde penetrano nella Terra meno, maggiore è la conduttività del suolo. Anche nella Terra si verificano perdite dielettriche, che aumentano anche con l'accorciarsi dell'onda.
Per frequenze superiori a 1 MHz, l'onda di superficie è infatti fortemente attenuata a causa dell'assorbimento da parte della Terra e quindi non viene utilizzata se non nell'area di copertura locale. Alle frequenze televisive, l'attenuazione è così grande che l'onda di superficie può essere utilizzata a distanze non superiori a 1-2 km dal trasmettitore.
La comunicazione su lunghe distanze viene effettuata principalmente dalle onde spaziali.
Per ricevere la rifrazione, cioè il ritorno di un'onda sulla Terra, l'onda deve essere emessa ad un certo angolo rispetto alla superficie terrestre. Viene chiamato il più grande angolo di radiazione al quale un'onda radio di una data frequenza ritorna al suolo angolo critico per un dato strato ionizzato (Fig. 2.7). 
Riso. 2.7 Influenza dell'angolo di radiazione sul passaggio dell'onda celeste.
Ogni strato ionizzato ha il suo frequenza critica e angolo critico.
Nella fig. 2.7 mostra un raggio facilmente rifratto da uno strato E poiché il raggio entra con un angolo inferiore all'angolo critico di questo strato. Il raggio 3 attraversa l'area E ma ritorna sulla Terra in uno strato F 2 perché entra con un angolo inferiore all'angolo critico dello strato F 2. Anche il raggio 4 passa attraverso lo strato E... Entra nello strato F 2 al suo angolo critico e ritorna sulla Terra. Il raggio 5 attraversa entrambe le aree e si perde nello spazio.
Tutti i raggi mostrati in Fig. 2.7 si riferiscono a una frequenza. Se viene utilizzata una frequenza inferiore, sono necessari angoli critici maggiori per entrambe le regioni; viceversa, se la frequenza aumenta, entrambe le regioni hanno angoli critici più piccoli. Se continui ad aumentare la frequenza, arriverà un momento in cui l'onda che si propaga dal trasmettitore parallelo alla Terra supererà l'angolo critico per qualsiasi regione. Questa condizione si verifica ad una frequenza di circa 30 MHz. Al di sopra di questa frequenza, la comunicazione skywave diventa inaffidabile.
Quindi, ogni frequenza critica ha il suo angolo critico e, al contrario, ogni angolo critico ha la sua frequenza critica. Di conseguenza, qualsiasi onda celeste, la cui frequenza è uguale o inferiore a quella critica, tornerà sulla Terra ad una certa distanza dal trasmettitore.
Nella fig. 2.7 il raggio 2 cade sullo strato E con un angolo critico. Notare dove l'onda riflessa colpisce la Terra (quando l'angolo critico viene superato, il segnale viene perso); L'onda spaziale, avendo raggiunto lo strato ionizzato, viene riflessa da esso e ritorna sulla Terra a grande distanza dal trasmettitore. Ad una certa distanza dal trasmettitore, a seconda della potenza del trasmettitore e della lunghezza d'onda, è possibile ricevere un'onda di superficie. Dal punto in cui termina la ricezione dell'onda di superficie, zona di silenzio e finisce dove appare l'onda spaziale riflessa. La zona del silenzio non ha un confine netto.
Riso. 2.8 Aree di ricezione delle onde superficiali e spaziali.
All'aumentare della frequenza, la quantità zona morta aumenta a causa della diminuzione dell'angolo critico. Per comunicare con un corrispondente a una certa distanza dal trasmettitore in determinate ore del giorno e stagioni dell'anno, è frequenza massima consentita che può essere utilizzato per la comunicazione skywave. Ogni regione ionosferica ha la sua frequenza massima consentita per la comunicazione.
Le onde corte e, inoltre, ultracorte nella ionosfera perdono una parte insignificante della loro energia. Maggiore è la frequenza, minore è il percorso che gli elettroni percorrono durante le loro oscillazioni, per cui diminuisce il numero delle loro collisioni con le molecole, ovvero diminuiscono le perdite di energia delle onde.
Negli strati ionizzati inferiori, le perdite sono maggiori, poiché una maggiore pressione indica una maggiore densità di gas e con una maggiore densità di gas aumenta la probabilità di collisione delle particelle.
Le onde lunghe vengono riflesse dagli strati inferiori della ionosfera, che hanno la più bassa concentrazione di elettroni, a qualsiasi angolo di elevazione, compresi quelli vicini ai 90 °. Il terreno a media umidità è quasi un conduttore per le onde lunghe, quindi riflettono bene dalla Terra. Riflessioni multiple dalla ionosfera e dalla Terra spiegano la propagazione a lungo raggio delle onde lunghe.
Propagazione ad onde lunghe non dipende dalla stagione e dalle condizioni meteorologiche, dal periodo di attività solare e dalle perturbazioni ionosferiche. Quando riflesse dalla ionosfera, le onde lunghe subiscono un grande assorbimento. Questo è il motivo per cui sono necessari trasmettitori ad alta potenza per le comunicazioni a lunga distanza.
Onde medie sono notevolmente assorbiti nella ionosfera e nei terreni di scarsa e media conducibilità. Durante il giorno si osserva solo un'onda di superficie, poiché un'onda spaziale (più lunga di 300 m) è quasi completamente assorbita nella ionosfera. Per una riflessione interna completa, le onde medie devono percorrere un certo percorso negli strati inferiori della ionosfera, che, sebbene abbiano una bassa concentrazione di elettroni, hanno una densità dell'aria significativa.
Di notte, con la scomparsa dello strato D, diminuisce l'assorbimento nella ionosfera, per cui è possibile mantenere la comunicazione sulle onde spaziali a distanze di 1500-2000 km con una potenza di trasmissione di circa 1 kW. Le condizioni di comunicazione sono leggermente migliori in inverno che in estate.
La virtù delle onde medieè che non sono influenzati da disturbi ionosferici.
Secondo accordi internazionali, i segnali di soccorso (segnali SOS) vengono trasmessi su onde di circa 600 m.
Il lato positivo della comunicazione skywave a onde corte e medie è la possibilità di comunicazione a lunga distanza con una bassa potenza di trasmissione. Ma collegamento dell'onda spaziale ha e svantaggi significativi.
All'inizio, l'instabilità della comunicazione dovuta ai cambiamenti dell'altezza degli strati ionizzati dell'atmosfera durante il giorno e l'anno. Per mantenere la comunicazione con lo stesso punto, devi cambiare la lunghezza d'onda 2-3 volte al giorno. Spesso, a causa di un cambiamento nello stato dell'atmosfera, la comunicazione è completamente interrotta per qualche tempo.
In secondo luogo, la presenza di una zona di silenzio.
Onde inferiori a 25 m sono indicate come "onde diurne" poiché viaggiano bene durante il giorno. Le "onde notturne" includono onde più lunghe di 40 m. Queste onde si propagano bene di notte.
Le condizioni per la propagazione delle onde radio corte sono determinate dallo stato dello strato ionizzato Fg. La concentrazione di elettroni di questo strato è spesso disturbata a causa della radiazione solare irregolare, che provoca disturbi ionosferici e tempeste magnetiche. Di conseguenza, l'energia delle onde radio corte viene assorbita in modo significativo, il che degrada la comunicazione radio, a volte anche rendendola completamente impossibile. Le perturbazioni ionosferiche si osservano particolarmente spesso a latitudini vicine ai poli. Pertanto, la comunicazione a onde corte è inaffidabile lì.
Il più notevole disturbi ionosferici hanno una loro periodicità: si ripetono dopo 27 giorni(tempo di rotazione del Sole attorno al proprio asse).
Nella gamma delle onde corte, l'influenza dell'interferenza industriale, atmosferica e reciproca è fortemente influenzata.
Frequenze di comunicazione ottimali su onde corte sono selezionati sulla base delle previsioni radiofoniche, che si suddividono in lungo termine e a breve termine... Le previsioni a lungo termine indicano lo stato medio atteso della ionosfera per un certo periodo di tempo (mese, stagione, anno o più), mentre le previsioni a breve termine sono fatte per un giorno, cinque giorni e caratterizzano possibili deviazioni della ionosfera dalla sua stato medio. Le previsioni sono redatte sotto forma di grafici a seguito dell'elaborazione di osservazioni sistematiche della ionosfera, dell'attività solare e dello stato del magnetismo terrestre.
Onde ultracorte(VHF) non sono riflessi dalla ionosfera, la attraversano liberamente, cioè queste onde non hanno un'onda ionosferica spaziale. L'onda ultracorta di superficie, su cui è possibile la comunicazione radio, presenta due inconvenienti significativi: in primo luogo, l'onda di superficie non aggira la superficie terrestre e grandi ostacoli e, in secondo luogo, è fortemente assorbita dal suolo.
Le onde ultracorte sono ampiamente utilizzate dove è richiesto un corto raggio di una stazione radio (la comunicazione è solitamente limitata alla linea di vista). In questo caso, la comunicazione viene effettuata da un'onda spaziale troposferica. Di solito è costituito da due componenti: un raggio diretto e un raggio riflesso dalla Terra (Fig. 2.9).
Riso. 2.9 Raggi diretti e riflessi dell'onda celeste.
Se le antenne sono abbastanza vicine, entrambi i raggi di solito raggiungono l'antenna ricevente, ma le loro intensità sono diverse. Il raggio riflesso dalla Terra è più debole a causa delle perdite che si verificano durante la riflessione dalla Terra. Un raggio diretto ha quasi la stessa attenuazione di un'onda nello spazio libero. Nell'antenna ricevente, il segnale totale è uguale alla somma vettoriale di queste due componenti.
Le antenne riceventi e trasmittenti sono generalmente alla stessa altezza, quindi la lunghezza del percorso del raggio riflesso è leggermente diversa dal raggio diretto. L'onda riflessa è sfasata di 180°. Quindi, trascurando le perdite nella Terra durante la riflessione, se due raggi hanno percorso la stessa distanza, la loro somma vettoriale è zero, di conseguenza, non ci sarà segnale nell'antenna ricevente.
In realtà, il raggio riflesso percorre una distanza leggermente maggiore, quindi la differenza di fase nell'antenna ricevente sarà di circa 180 °. La differenza di fase è determinata dalla differenza di percorso in termini di lunghezza d'onda, non in unità lineari. In altre parole, il segnale totale ricevuto in queste condizioni dipende principalmente dalla frequenza utilizzata. Ad esempio, se la lunghezza d'onda operativa è di 360 me la differenza di percorso è di 2 m, lo sfasamento differirà da 180 ° di soli 2 °. Di conseguenza, c'è un'assenza quasi completa di segnale nell'antenna ricevente. Se la lunghezza d'onda è 4 m, la stessa differenza di percorso di 2 m causerà una differenza di fase di 180 °, compensando completamente lo sfasamento di 180 ° nella riflessione. In questo caso, il segnale viene raddoppiato in tensione.
Ne consegue che alle basse frequenze l'uso delle onde spaziali non è di interesse per la comunicazione. Solo alle alte frequenze, dove la differenza di percorso è commisurata alla lunghezza d'onda utilizzata, l'onda celeste è ampiamente utilizzata.
La portata dei trasmettitori VHF è notevolmente aumentata quando gli aerei sono in aria e con la Terra.
A vantaggi del VHF dovrebbe includere la possibilità di utilizzare antenne di piccole dimensioni. Inoltre, un gran numero di stazioni radio può operare contemporaneamente nella banda VHF senza interferenze reciproche. Più stazioni possono essere dispiegate contemporaneamente nella gamma di lunghezze d'onda da 10 a 1 m rispetto alle lunghezze d'onda corte, medie e lunghe combinate.
Le linee di inoltro VHF sono diventate molto diffuse. Tra due punti di comunicazione situati a grande distanza, sono installati diversi ricetrasmettitori VHF, posizionati entro la linea di vista l'uno dall'altro. Le stazioni intermedie funzionano automaticamente. L'organizzazione delle linee relè consente di aumentare la portata della comunicazione su VHF e di effettuare comunicazioni multicanale (effettuare più trasmissioni telefoniche e telegrafiche contemporaneamente).
Oggigiorno si presta molta attenzione all'utilizzo della banda VHF per le comunicazioni radio a lunga distanza.
Le linee di comunicazione più utilizzate operano nel range 20-80 MHz e sfruttano i fenomeni di scattering ionosferico. Si credeva che la comunicazione radio attraverso la ionosfera fosse possibile solo a frequenze inferiori a 30 MHz (lunghezza d'onda superiore a 10 m), e poiché questa gamma è completamente carica e un ulteriore aumento del numero di canali in essa è impossibile, l'interesse per la propagazione diffusa delle onde radio è comprensibile.
Questo fenomeno consiste nel fatto che una parte dell'energia della radiazione ad altissima frequenza è diffusa da irregolarità nella ionosfera. Queste disomogeneità sono create da correnti d'aria di strati con diverse temperature e umidità, particelle cariche vaganti, prodotti di ionizzazione di code di meteoriti e altre fonti ancora poco studiate. Poiché la troposfera è sempre disomogenea, la rifrazione diffusa delle onde radio esiste sistematicamente.
La propagazione diffusa delle onde radio è simile alla dispersione della luce di un proiettore in una notte buia. Più potente è il raggio di luce, più emette luce diffusa.
Quando si studia diffusione lontana delle onde ultracorte, è stato notato il fenomeno di un forte aumento a breve termine dell'udibilità dei segnali. Tali raffiche casuali durano da alcuni millisecondi a diversi secondi. Tuttavia, in pratica, si osservano durante il giorno con interruzioni raramente superiori a pochi secondi. La comparsa di momenti di maggiore udibilità è dovuta principalmente al riflesso delle onde radio da strati ionizzati di meteoriti che bruciano ad un'altitudine di circa 100 km. Il diametro di questi meteoriti non supera alcuni millimetri e le loro tracce si estendono per diversi chilometri.
A partire dal tracce di meteoriti le onde radio con una frequenza di 50-30 MHz (6-10 m) sono ben riflesse.
Diversi miliardi di tali meteoriti volano ogni giorno nell'atmosfera terrestre, lasciando dietro di sé scie ionizzate con un'alta densità di ionizzazione dell'aria. Ciò consente di ottenere un funzionamento affidabile dei collegamenti radio a lunga distanza quando si utilizzano trasmettitori di potenza relativamente bassa. Una parte integrante delle stazioni su tali linee è un'apparecchiatura ausiliaria di stampa diretta dotata di un elemento di memoria.
Poiché ogni scia di meteorite esiste solo per pochi secondi, la trasmissione viene eseguita automaticamente in brevi raffiche.
Attualmente sono ampiamente utilizzate le comunicazioni e le trasmissioni televisive tramite satelliti terrestri artificiali.
Pertanto, secondo il meccanismo di propagazione delle onde radio, le linee di comunicazione radio possono essere classificate in linee utilizzando:
il processo di propagazione delle onde radio lungo la superficie terrestre con curvatura attorno ad essa (il cosiddetto terrestre o onde di superficie);
il processo di propagazione delle onde radio all'interno della linea di vista ( dritto onde);
riflessione delle onde radio dalla ionosfera ( ionosferico onde);
il processo di propagazione delle onde radio nella troposfera ( troposferico onde);
riflessione delle onde radio dalle scie meteoriche;
riflessione o ritrasmissione da satelliti terrestri artificiali;
riflessione da formazioni create artificialmente di plasma gassoso o superfici conduttrici create artificialmente.
2.4 Caratteristiche della propagazione delle onde radio di varie bande
Le condizioni per la propagazione delle onde radio nello spazio tra il trasmettitore e il ricevitore radio dei corrispondenti sono influenzate dalla conducibilità finita della superficie terrestre e dalle proprietà del mezzo sopra la terra. Questo effetto è diverso per diverse lunghezze d'onda (frequenze).
miriametro e chilometro onde (ADV e DV) può propagarsi sia terrestre che ionosferico. La presenza di un'onda terrestre, che si propaga per centinaia e persino migliaia di chilometri, è spiegata dal fatto che l'intensità di campo di queste onde diminuisce piuttosto lentamente con la distanza, poiché l'assorbimento della loro energia da parte della terra o della superficie dell'acqua è piccolo. Più lunga è l'onda e migliore è la conduttività del suolo, più lunga è la comunicazione radio.
I terreni e le rocce sabbiosi e asciutti assorbono in larga misura l'energia elettromagnetica. Quando si propagano a causa del fenomeno della diffrazione, si piegano attorno alla superficie terrestre convessa, ostacoli incontrati nel percorso: foreste, montagne, colline, ecc. A partire da una distanza di 300-400 km dal trasmettitore, appare un'onda ionosferica, riflessa dalla regione inferiore della ionosfera (dallo strato D o E). Durante il giorno, per la presenza dello strato D, l'assorbimento di energia elettromagnetica diventa più significativo. Di notte, con la scomparsa di questo strato, il raggio di comunicazione aumenta. Pertanto, il passaggio delle onde lunghe di notte è generalmente migliore che durante il giorno. Le comunicazioni globali in VLF e LW sono effettuate da onde che si propagano in una guida d'onda sferica formata dalla ionosfera e dalla superficie terrestre.
Vantaggio della banda SDV, DV:
Le onde radio VLF e LW hanno la proprietà di penetrare nella colonna d'acqua, oltre a propagarsi in alcune strutture del suolo;
a causa delle onde che si propagano nella guida d'onda sferica della Terra, la comunicazione è fornita per migliaia di chilometri;
il raggio di comunicazione dipende poco dai disturbi ionosferici;
buone proprietà di diffrazione delle onde radio in queste gamme consentono di fornire comunicazioni per centinaia e persino migliaia di chilometri con un'onda terrestre;
La costanza dei parametri del collegamento radio garantisce un livello di segnale stabile nel punto di ricezione.
svantaggiSDV-, DV, - gamme:
la radiazione efficace delle onde delle parti considerate della gamma può essere ottenuta solo con l'aiuto di dispositivi di antenna molto ingombranti, le cui dimensioni sono commisurate alla lunghezza d'onda. La costruzione e il restauro di dispositivi d'antenna di queste dimensioni in un tempo limitato (per scopi militari) è difficile;
poiché le dimensioni delle antenne effettivamente realizzate sono inferiori alla lunghezza d'onda, si ottiene la compensazione della loro ridotta efficienza aumentando la potenza dei trasmettitori a centinaia o più kW;
la realizzazione di sistemi risonanti in questa fascia ea potenze significative determina le grandi dimensioni degli stadi di uscita: trasmettitori, la complessità della sintonizzazione veloce su un'altra frequenza;
per l'alimentazione di stazioni radio in banda VLF e DV), sono necessarie grandi centrali elettriche;
uno svantaggio significativo delle gamme VLF e LW è la loro capacità a bassa frequenza;
un livello sufficientemente elevato di interferenza industriale e atmosferica;
dipendenza del livello del segnale nel punto di ricezione dall'ora del giorno.
Ambito di applicazione pratica delle onde radio in banda VLF e DV:
comunicazione con oggetti subacquei;
dorsale globale e comunicazioni sotterranee;
radiofari, nonché comunicazioni nell'aviazione a lungo raggio e nella Marina.
Onde ettometriche(SV) può essere propagato da onde di superficie e spaziali. Inoltre, il raggio di comunicazione con un'onda di superficie è più breve (non supera i 1000-1500 km), poiché la loro energia viene assorbita dal suolo più di quella delle onde lunghe. Le onde che raggiungono la ionosfera vengono assorbite intensamente dallo strato D quando esiste, ma è ben scaricato in uno strato e.
Per le onde medie, il raggio di comunicazione è molto dipendente a partire dal ora del giorno. Durante il giorno, le onde medie sono così forti assorbito negli strati inferiori della ionosfera, che l'onda del cielo è praticamente assente. Strato notturno D e il fondo dello strato E scompaiono, quindi l'assorbimento delle onde medie diminuisce; e le onde spaziali iniziano a svolgere un ruolo importante. Pertanto, una caratteristica importante delle onde medie è che durante il giorno la comunicazione su di esse è mantenuta da un'onda di superficie e di notte - sia dalle onde di superficie che da quelle spaziali contemporaneamente.
Vantaggi della banda CB:
di notte in estate e per gran parte della giornata in inverno, il raggio di comunicazione fornito dall'onda ionosferica raggiunge migliaia di chilometri;
i dispositivi di antenna a onde medie sono abbastanza efficaci e hanno dimensioni accettabili anche per le comunicazioni radiomobili;
la capacità di frequenza di questa gamma è maggiore di quella delle gamme VLF e LW;
buone proprietà di diffrazione delle onde radio in questo intervallo;
la potenza dei trasmettitori è inferiore a quella delle bande VLF e LW;
bassa dipendenza dai disturbi ionosferici e dalle tempeste magnetiche.
Svantaggi della gamma CB:
la congestione della banda MW con potenti emittenti radiofoniche crea difficoltà di diffusione;
la limitata capacità di frequenza della gamma rende difficile la manovra delle frequenze;
il raggio di comunicazione a NE durante il giorno in estate è sempre limitato, poiché è possibile solo da un'onda terrestre;
potenze di trasmissione sufficientemente elevate;
è difficile utilizzare dispositivi di antenna altamente efficienti, la complessità della costruzione e del restauro in breve tempo;
un livello sufficientemente elevato di interferenza reciproca e atmosferica.
L'area di applicazione pratica delle onde radio in banda CB; Le stazioni radio a onde medie sono più spesso utilizzate nelle regioni artiche, come backup in caso di perdita di comunicazioni radio a onde corte ampiamente utilizzate a causa di disturbi ionosferici e magnetici, nonché nell'aviazione a lungo raggio e nella Marina.
Onde decametriche (KB) occupano una posizione speciale. Possono propagare onde sia terrestri che ionosferiche. Con potenze di trasmissione relativamente basse tipiche delle stazioni radiomobili, le onde di terra si propagano su distanze non superiori a diverse decine di chilometri, poiché subiscono un notevole assorbimento nel terreno, che aumenta con l'aumentare della frequenza.
Le onde ionosferiche, dovute a riflessioni singole o multiple dalla ionosfera, in condizioni favorevoli possono propagarsi su lunghe distanze. La loro proprietà principale è quella di essere debolmente assorbiti dalle regioni inferiori della ionosfera (strati D e E) e sono ben riflesse dalle sue regioni superiori (principalmente dallo strato F2 ... situato ad un'altitudine di 300-500 km dal suolo). Ciò consente di utilizzare stazioni radio a potenza relativamente bassa per la comunicazione diretta su una gamma infinita di distanze.
Una significativa diminuzione della qualità della comunicazione radio HF da parte delle onde ionosferiche si verifica a causa della dissolvenza del segnale. La natura del fading è principalmente ridotta all'interferenza di più raggi che arrivano al sito ricevente, la cui fase cambia costantemente a causa di un cambiamento nello stato della ionosfera.
Le ragioni per l'arrivo di più raggi nel luogo di ricezione dei segnali possono essere:
irraggiamento della ionosfera agli angoli ai quali i raggi subiscono
diverso numero di riflessioni dalla ionosfera e dalla Terra, convergono nel punto di ricezione;
il fenomeno della birifrangenza sotto l'influenza del campo magnetico terrestre, per cui due fasci (ordinario e straordinario), riflettendosi da diversi strati della ionosfera, raggiungono lo stesso punto di ricezione;
disomogeneità della ionosfera, che porta alla riflessione diffusa delle onde dalle sue varie regioni, ad es. alla riflessione di fasci di molti raggi elementari.
Lo sbiadimento può verificarsi anche a causa delle fluttuazioni di polarizzazione delle onde quando riflesse dalla ionosfera, portando a un cambiamento nel rapporto tra le componenti verticale e orizzontale del campo elettrico nel punto di ricezione. Lo sbiadimento della polarizzazione si osserva molto meno frequentemente dello sbiadimento delle interferenze e rappresenta il 10-15% del loro numero totale.
A causa della dissolvenza, il livello del segnale nei punti di ricezione può variare in un'ampia gamma: decine e persino centinaia di volte. L'intervallo di tempo tra la dissolvenza profonda è un valore casuale e può variare da decimi di secondo a diversi secondi, e talvolta di più, e la transizione da un livello alto a uno basso può essere regolare o molto brusca. I cambi di livello veloci spesso si sovrappongono a quelli lenti.
Le condizioni per il passaggio delle onde corte attraverso la ionosfera variano di anno in anno, il che è associato a un cambiamento quasi periodico dell'attività solare, ad es. con un cambiamento nel numero e nell'area delle macchie solari (numero di lupo), che sono fonti di radiazioni che ionizzano l'atmosfera. Il periodo di ricorrenza della massima attività solare è 11,3 ± 4 anni. Durante gli anni di massima attività solare, le frequenze massime utilizzabili (MUF) aumentano e le aree delle gamme di frequenza operativa si espandono.
Nella fig. 2.10 mostra una famiglia tipica di grafici MUF giornalieri e frequenze meno utilizzabili (LUF) per una potenza irradiata di 1 kW.
Riso. 2.10 L'andamento delle curve di MUF e NUF.
Questa famiglia di grafici giornalieri corrisponde a specifiche aree geografiche. Ne consegue che l'intervallo di frequenza applicabile per la comunicazione su una data distanza può essere molto piccolo. Va tenuto presente che le previsioni ionosferiche possono presentare un errore, pertanto, quando si scelgono le frequenze massime di comunicazione, cercano di non superare la linea della cosiddetta frequenza operativa ottimale (OPF), passando sotto la linea MUF di 20- 30%. Va da sé che la larghezza di lavoro della gamma è ulteriormente ridotta da questo. La diminuzione del livello del segnale quando ci si avvicina alla frequenza massima utilizzabile è spiegata dalla variabilità dei parametri della ionosfera.
A causa del fatto che lo stato della ionosfera cambia, la comunicazione da parte di un'onda ionosferica richiede la corretta scelta delle frequenze durante il giorno:
GIORNO utilizzando le frequenze 12-30 MHz,
MATTINA e SERA 8-12 MHz, NOTTE 3-8 MHz.
I grafici mostrano anche che con una diminuzione della lunghezza della linea di comunicazione radio, la sezione delle frequenze applicabili diminuisce (per distanze fino a 500 km di notte, può essere solo 1-2 MHz).
Le condizioni della comunicazione radio per le lunghe linee sono più favorevoli rispetto a quelle corte, poiché ce ne sono meno e la gamma di frequenze adatte per loro è molto più ampia.
Le tempeste ionosferiche e magnetiche possono avere un effetto significativo sullo stato della comunicazione radio HF (specialmente nelle regioni polari), ad es. disturbi della ionosfera e del campo magnetico terrestre sotto l'influenza di flussi di particelle cariche eruttate dal Sole. Questi flussi spesso distruggono il principale strato ionosferico riflettente F2 nella regione delle alte latitudini geomagnetiche. Le tempeste magnetiche possono manifestarsi non solo nelle regioni polari, ma in tutto il globo. I disturbi ionosferici hanno una periodicità e sono associati al tempo di rivoluzione del Sole attorno al suo asse, che è pari a 27 giorni.
Le onde corte sono caratterizzate dalla presenza di zone di silenzio (zone morte). La zona di silenzio (Fig. 2.8) si verifica durante la comunicazione radio su lunghe distanze in aree in cui l'onda di superficie non raggiunge a causa della sua attenuazione e l'onda spaziale viene riflessa dalla ionosfera a una distanza maggiore. Ciò si verifica quando si utilizzano antenne a fascio stretto quando si irradiano a piccoli angoli rispetto all'orizzonte.
Vantaggi della banda HF:
Le onde ionosferiche possono percorrere lunghe distanze a causa di riflessioni singole o multiple dalla ionosfera in condizioni favorevoli. Sono debolmente assorbiti dalle regioni inferiori della ionosfera (strati D ed E) e sono ben riflesse da quelle superiori (principalmente dallo strato F2);
la capacità di utilizzare stazioni radio a potenza relativamente bassa per la comunicazione diretta su una gamma infinita di distanze;
la capacità di frequenza della banda HF è molto maggiore di quella delle bande VLF, DV e MW, il che consente di far funzionare un gran numero di stazioni radio contemporaneamente;
I dispositivi di antenna utilizzati nella gamma delle onde decametriche hanno dimensioni accettabili (anche per l'installazione su oggetti in movimento) e possono avere proprietà direzionali pronunciate. Hanno tempi di implementazione rapidi, sono economici e sono facilmente recuperabili in caso di danni.
Svantaggi della banda HF:
la comunicazione radio mediante onde ionosferiche può essere effettuata se le frequenze utilizzate sono inferiori ai valori massimi (MUF) determinati per ciascuna lunghezza della linea di comunicazione radio dal grado di ionizzazione degli strati riflettenti;
la comunicazione è possibile solo se la potenza dei trasmettitori ei guadagni delle antenne utilizzate, con l'assorbimento di energia nella ionosfera, forniscono la necessaria forza del campo elettromagnetico nel punto di ricezione. Questa condizione limita il limite inferiore delle frequenze utilizzabili (LUF);
capacità di frequenza insufficiente per l'uso di modalità operative a banda larga e manovra di frequenza;
un numero enorme di stazioni radio che operano contemporaneamente con un lungo raggio di comunicazione crea un ampio livello di interferenza reciproca;
il lungo raggio di comunicazione rende facile per il nemico usare l'interferenza deliberata;
la presenza di zone di silenzio durante la comunicazione su lunghe distanze;
una significativa diminuzione della qualità della comunicazione radio HF da parte delle onde ionosferiche a causa dello sbiadimento dei segnali derivanti dalla variabilità della struttura degli strati riflettenti della ionosfera, dal suo costante disturbo e dalla propagazione multipercorso delle onde.
Applicazione pratica delle onde radio HF
Le stazioni radio KB trovano la più ampia applicazione pratica per la comunicazione con abbonati remoti.
Le onde metriche (VHF) includono una serie di sezioni della gamma di frequenze che hanno un'enorme capacità di frequenza.
Naturalmente, queste aree differiscono significativamente l'una dall'altra nelle proprietà della propagazione delle onde radio. L'energia VHF è fortemente assorbita dalla Terra (nel caso generale, in proporzione al quadrato della frequenza), quindi l'onda terrestre decade piuttosto rapidamente. Per il VHF, la riflessione regolare dalla ionosfera è insolita, quindi la comunicazione è calcolata sull'uso di un'onda terrestre e di un'onda che si propaga nello spazio libero. Le onde spaziali più corte di 6-7 m (43-50 MHz), di regola, passano attraverso la ionosfera senza essere riflesse da essa.
La propagazione VHF avviene in linea retta, la portata massima è limitata dalla portata della linea di vista. Può essere determinato dalla formula:
dove Dmax è la distanza della linea di mira, km;
h1 è l'altezza dell'antenna trasmittente, m;
h2 - altezza antenna ricevente, m.
Tuttavia, a causa della rifrazione (rifrazione), la propagazione delle onde radio è curva. In questo caso, nella formula dell'intervallo, il coefficiente non sarà 3,57, ma 4,1-4,5. Da questa formula segue che per aumentare il raggio di comunicazione VHF è necessario alzare più in alto le antenne del trasmettitore e del ricevitore.
Un aumento della potenza del trasmettitore non porta ad un aumento proporzionale del raggio di comunicazione, pertanto in questo intervallo vengono utilizzate stazioni radio a bassa potenza. Le comunicazioni a dispersione troposferica e ionosferica richiedono trasmettitori significativi.
A prima vista, il raggio di comunicazione delle onde terrestri VHF dovrebbe essere molto breve. Tuttavia, va tenuto presente che con un aumento della frequenza aumenta l'efficienza dei dispositivi di antenna, a causa della quale vengono compensate le perdite di energia nella Terra.
Il raggio di comunicazione delle onde terrestri dipende dalla lunghezza d'onda. La portata più lunga si ottiene sulle onde del metro, specialmente sulle onde adiacenti alla banda HF.
Le onde del metro hanno la proprietà diffrazione, cioè. la proprietà a piegarsi su un terreno irregolare. L'aumento del raggio di comunicazione alle onde metriche è facilitato dal fenomeno della troposferica rifrazione, cioè. il fenomeno della rifrazione nella troposfera, che assicura la comunicazione su rotte chiuse.
Nella gamma delle onde del metro, si osserva spesso la propagazione a lungo raggio delle onde radio, il che è dovuto a una serie di motivi. La propagazione a lungo raggio può avvenire con la formazione di sporadiche nubi ionizzate ( strato sporadico F). È noto che questo strato può apparire in qualsiasi momento dell'anno o del giorno, ma per il nostro emisfero - principalmente in tarda primavera e all'inizio dell'estate durante il giorno. Una caratteristica di queste nuvole è una concentrazione ionica molto alta, a volte sufficiente a riflettere le onde dell'intera gamma VHF. In questo caso, l'area della posizione delle sorgenti di radiazioni rispetto ai punti di ricezione è più spesso a una distanza di 2000-2500 km e talvolta più vicina. L'intensità dei segnali riflessi dallo strato Fs può essere molto elevata anche a potenze di sorgente molto basse.
Un altro motivo per la propagazione a lunga distanza delle onde metriche negli anni di massima attività solare potrebbe essere il normale strato F2. Questa propagazione si manifesta nei mesi invernali al momento dell'illuminazione dei punti di riflessione, ad es. quando l'assorbimento dell'energia delle onde nelle regioni inferiori della ionosfera è minimo. In questo caso, il raggio di comunicazione può raggiungere scale globali.
La propagazione a lunga distanza delle onde metriche può verificarsi anche durante le esplosioni nucleari ad alta quota. In questo caso, oltre alla regione inferiore di maggiore ionizzazione, ne appare una superiore (a livello dello strato Fs). Le onde del metro penetrano nella regione inferiore, sperimentando un certo assorbimento, vengono riflesse dalla parte superiore e ritornano sulla Terra. Le distanze percorse in questo caso sono nell'intervallo da 100 a 2500 km. Intensità di campo riflessa di quelli le onde dipendono dalla frequenza: le frequenze più basse subiscono il maggiore assorbimento nella regione di ionizzazione inferiore e quelle più alte subiscono una riflessione incompleta dalla regione superiore.
L'interfaccia tra KB e le onde metriche passa a una lunghezza d'onda di 10 m (30 MHz). Le proprietà di propagazione delle onde radio non possono cambiare bruscamente, ad es. ci deve essere una regione o una sezione di frequenze che è di transizione... Tale sezione della gamma di frequenze è una sezione di 20-30 MHz. Negli anni di minima attività solare (oltre che di notte, indipendentemente dalla fase di attività), queste frequenze sono praticamente inadatte alla comunicazione a lunga distanza delle onde ionosferiche e il loro utilizzo risulta essere estremamente limitato. Allo stesso tempo, nelle condizioni indicate, le proprietà della propagazione delle onde in quest'area diventano molto vicine alle proprietà delle onde del metro. Non è un caso che questa sezione di frequenze sia utilizzata nell'interesse della comunicazione radio, orientata alle onde metriche.
Vantaggi della banda VHF:
le ridotte dimensioni delle antenne consentono di realizzare una pronunciata radiazione direzionale, che compensa la rapida attenuazione dell'energia delle onde radio;
le condizioni di propagazione generalmente non dipendono dall'ora del giorno e dell'anno, così come dall'attività solare;
il raggio di comunicazione limitato consente l'uso multiplo delle stesse frequenze su superfici la cui distanza tra i confini non è inferiore alla somma della portata delle stazioni radio con le stesse frequenze;
livello inferiore di interferenze involontarie (naturali e artificiali) e intenzionali dovute ad antenne strettamente dirette e og raggio di comunicazione limitato;
enorme capacità di frequenza, che consente l'uso di segnali a banda larga anti-jamming per un gran numero di stazioni operanti contemporaneamente;
quando si utilizzano segnali a banda larga per la comunicazione radio, l'instabilità di frequenza della linea radio è sufficiente δf = 10 -4;
la capacità del VHF di penetrare nella ionosfera senza significative perdite di energia ha permesso di effettuare comunicazioni radio spaziali su distanze misurate in milioni di chilometri;
canale radio di alta qualità;
a causa delle perdite di energia molto basse nello spazio libero, il raggio di comunicazione tra aeromobili dotati di stazioni radio a potenza relativamente bassa può raggiungere diverse centinaia di chilometri;
proprietà della propagazione a lungo raggio delle onde metriche;
bassa potenza dei trasmettitori e una piccola dipendenza del raggio di comunicazione dalla potenza.
Svantaggi della gamma VHF:
comunicazione radio a corto raggio da un'onda terrestre, praticamente limitata dalla linea di vista;
quando si utilizzano antenne a fascio stretto, è difficile lavorare con più corrispondenti;
quando si utilizzano antenne con direttività circolare, il raggio di comunicazione, la protezione dell'intelligenza e l'immunità ai disturbi sono ridotti.
L'area di applicazione pratica delle onde radio VHF-Dianazon La gamma viene utilizzata contemporaneamente da un gran numero di stazioni radio, soprattutto perché la gamma di interferenza reciproca tra loro, di regola, è piccola. Le proprietà della propagazione delle onde di terra forniscono un'ampia applicazione delle onde ultracorte per la comunicazione nel collegamento di controllo tattico, anche tra vari tipi di oggetti mobili. Comunicazione interplanetaria.
Considerando i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna banda, possiamo concludere che gli intervalli più accettabili per le stazioni radio a bassa potenza sono le lunghezze d'onda del decametro (KB) e del metro (VHF).
2.5 Influenza delle esplosioni nucleari sullo stato delle comunicazioni radio
Nelle esplosioni nucleari, la radiazione gamma istantanea, interagendo con gli atomi dell'ambiente, crea un flusso di elettroni veloci che volano ad alta velocità principalmente in direzione radiale dal centro dell'esplosione e ioni positivi che rimangono praticamente sul posto. Quindi, nello spazio, per qualche tempo, c'è una separazione di cariche positive e negative, che porta all'emergere di campi elettrici e magnetici. A causa della loro breve durata, questi campi vengono solitamente chiamati impulso elettromagnetico (AMY) esplosione nucleare. La durata della sua esistenza è di circa 150-200 millisecondi.
Impulso elettromagnetico (il quinto fattore dannoso di un'esplosione nucleare) in assenza di speciali misure di protezione, può danneggiare le apparecchiature di controllo e comunicazione, interrompere il funzionamento di dispositivi elettrici collegati a lunghe linee esterne.
I sistemi di comunicazione, segnalazione e controllo sono più suscettibili all'effetto di un impulso elettromagnetico da un'esplosione nucleare. Come risultato dell'impatto dell'EMP di un'esplosione nucleare terrestre o aerea sulle antenne delle stazioni radio, in esse viene indotta una tensione elettrica, sotto l'influenza della quale rottura dell'isolamento, trasformatori, fusione dei fili, guasto degli scaricatori , danni a lampade elettroniche, dispositivi a semiconduttore, condensatori, resistenze, ecc...
Si è riscontrato che quando si applica EMP all'apparecchiatura, sui circuiti di ingresso viene indotta la massima tensione.Per quanto riguarda i transistor, si osserva la seguente dipendenza: maggiore è il guadagno del transistor, minore è la sua rigidità dielettrica.
L'apparecchiatura radio ha una rigidità dielettrica a tensione costante non superiore a 2-4 kV. Considerando che l'impulso elettromagnetico di un'esplosione nucleare è di breve durata, la massima resistenza elettrica delle apparecchiature senza dispositivi di protezione può essere considerata più elevata - circa 8-10 kV.
Tavolo 1 mostra le distanze approssimative (in km) alle quali vengono indotte tensioni pericolose per apparecchiature superiori a 10 e 50 kV nelle antenne delle stazioni radio al momento di un'esplosione nucleare.
Tabella 1
A distanze maggiori, l'effetto dell'EMR è simile all'effetto di una scarica di fulmine non molto distante e non provoca danni all'apparecchiatura.
L'impatto di un impulso elettromagnetico sulle apparecchiature radio è notevolmente ridotto in caso di applicazione di misure di protezione speciali.
Il modo più affettivo per proteggere apparecchiature elettroniche situate nelle strutture è l'uso di schermi (metallici) elettricamente conduttivi, che riducono significativamente l'entità delle tensioni indotte su fili e cavi interni. Vengono utilizzati dispositivi di protezione simili ai mezzi di protezione contro i fulmini: scaricatori con bobine di drenaggio e bloccaggio, fusibili, dispositivi di disaccoppiamento, circuiti per la disconnessione automatica delle apparecchiature dalla linea.
Una buona misura protettivaè anche una messa a terra affidabile dell'apparecchiatura in un punto. È anche efficace implementare dispositivi di ingegneria radio in blocchi, con la protezione di ciascun blocco e dell'intero dispositivo nel suo insieme. Ciò consente di sostituire rapidamente un'unità guasta con una di riserva (nelle apparecchiature più critiche le unità vengono duplicate con commutazione automatica quando le principali sono danneggiate). In alcuni casi, elementi di selenio e stabilizzanti possono essere utilizzati per proteggere dall'EMP.
Inoltre, può essere applicato dispositivi di protezione d'ingresso, che sono vari relè o dispositivi elettronici che reagiscono alla sovratensione nel circuito. Quando arriva un impulso di tensione, indotto nella linea da un impulso elettromagnetico, tolgono l'alimentazione al dispositivo o semplicemente interrompono i circuiti di lavoro.
Quando si scelgono i dispositivi di protezione, è necessario tenere presente che l'impatto dell'EMP è caratterizzato da massività, ovvero il funzionamento simultaneo di dispositivi di protezione in tutti i circuiti catturati nell'area dell'esplosione. Pertanto, gli schemi di protezione applicati dovrebbero ripristinare automaticamente l'operatività dei circuiti immediatamente dopo la cessazione dell'impulso elettromagnetico.
La resistenza dell'apparecchiatura agli effetti delle tensioni che si verificano nelle linee durante un'esplosione nucleare dipende in larga misura dal corretto funzionamento della linea e dall'attento monitoraggio della funzionalità dei dispositivi di protezione.
A importanti requisiti operativi include un controllo periodico e tempestivo della rigidità elettrica dell'isolamento della linea e dei circuiti di ingresso dell'apparecchiatura, l'identificazione tempestiva e l'eliminazione della messa a terra emergente del filo, il monitoraggio della funzionalità di scaricatori, fusibili, ecc.
Esplosione nucleare ad alta quota accompagnato dalla formazione di aree di maggiore ionizzazione. Nelle esplosioni ad altitudini fino a circa 20 km, la regione ionizzata è limitata prima dalle dimensioni della regione luminosa e poi dalla nuvola di esplosione. Ad altitudini di 20-60 km, le dimensioni della regione ionizzata sono leggermente più grandi delle dimensioni della nube di esplosione, specialmente al limite superiore di questo intervallo di altitudine.
Nelle esplosioni nucleari ad alta quota, nell'atmosfera compaiono due regioni di maggiore ionizzazione.
Prima zona si forma nell'area dell'esplosione a causa della sostanza ionizzata delle munizioni e della ionizzazione dell'aria da parte dell'onda d'urto. Le dimensioni di quest'area in direzione orizzontale raggiungono decine e centinaia di metri.
Seconda zona l'aumento della ionizzazione si verifica al di sotto del centro dell'esplosione nell'atmosfera ad altitudini di 60-90 km a causa dell'assorbimento della radiazione penetrante da parte dell'aria. Le distanze alle quali le radiazioni penetranti producono ionizzazione sono centinaia e persino migliaia di chilometri in direzione orizzontale.
Le aree di maggiore ionizzazione derivanti da un'esplosione nucleare ad alta quota assorbono le onde radio e cambiano la direzione della loro propagazione, il che porta a un'interruzione significativa del funzionamento delle apparecchiature radio. In questo caso, ci sono interruzioni nella comunicazione radio e in alcuni casi è completamente interrotta.
La natura dell'effetto dannoso dell'impulso elettromagnetico delle esplosioni nucleari ad alta quota è sostanzialmente simile alla natura dell'effetto dannoso dell'EMP delle esplosioni terrestri e aeree.
Le misure di protezione contro l'effetto dannoso dell'impulso elettromagnetico delle esplosioni ad alta quota sono le stesse che contro l'EMP delle esplosioni terrestri e aeree.
2.5.1 Protezione contro le radiazioni ionizzanti ed elettromagnetiche
esplosioni nucleari ad alta quota (HNE)
L'interferenza con RS può sorgere a seguito di esplosioni di armi nucleari, accompagnate dall'emissione di potenti impulsi elettromagnetici di breve durata (10-8 sec) e cambiamenti nelle proprietà elettriche dell'atmosfera.
Si verifica EMR (radio flash):
All'inizio , a seguito dell'espansione asimmetrica della nuvola di scariche elettriche formata sotto l'influenza delle radiazioni ionizzanti delle esplosioni;
In secondo luogo , a causa della rapida espansione di un gas altamente conduttivo (plasma) formato dai prodotti dell'esplosione.
Dopo un'esplosione nello spazio, viene creata una palla di fuoco, che è una sfera altamente ionizzata. Questa sfera si espande rapidamente (a una velocità di circa 100-120 km / h) sopra la superficie terrestre, trasformandosi in una sfera di falsa configurazione, lo spessore della sfera raggiunge i 16-20 km. La concentrazione di elettroni in una sfera può raggiungere 105-106 elettroni/cm3, ovvero 100-1000 volte superiore alla normale concentrazione di elettroni nello strato ionosferico D.
Le esplosioni nucleari ad alta quota (HNE) ad altitudini superiori a 30 km influenzano in modo significativo le caratteristiche elettriche dell'atmosfera su vaste aree per lungo tempo e, quindi, hanno un forte effetto sulla propagazione delle onde radio.
Inoltre, un potente impulso elettromagnetico che si verifica durante l'IYE induce alte tensioni (fino a 10.000-50.000 V) e correnti fino a diverse migliaia di ampere nelle linee di comunicazione via cavo.
La potenza dell'EMP è così grande che la sua energia è sufficiente per penetrare la terra fino a 30 me indurre l'EMF entro un raggio fino a 50-200 km dall'epicentro dell'esplosione.
Tuttavia, l'effetto principale dell'IJW è che l'enorme quantità di energia rilasciata durante l'esplosione, così come i flussi intensi di neutroni, raggi X, raggi ultravioletti e gamma, portano alla formazione di regioni altamente ionizzate nell'atmosfera e un aumento della densità degli elettroni nella ionosfera, che a sua volta porta all'assorbimento delle onde radio e all'interruzione della stabilità del funzionamento del sistema di controllo.
2.5.2 Segni caratteristici di IJV
EYE in una determinata area o nelle sue vicinanze è accompagnato da un'immediata cessazione della ricezione di stazioni lontane nella gamma delle onde HF.
Al momento della cessazione della comunicazione, si osserva un breve clic nei telefoni, quindi si sentono solo i rumori del ricevitore e deboli crepitii come i fulmini.
Pochi minuti dopo la cessazione della comunicazione su HF, l'interferenza da stazioni lontane nella gamma del misuratore VHF aumenta bruscamente.
La portata del radar e la precisione della misurazione delle coordinate sono ridotte.
La base per la protezione dei mezzi elettronici è l'uso corretto della gamma di frequenza e tutti i fattori che derivano dall'uso di IJV
2.5.3 Definizioni di base:
onde radio riflesse (onda riflessa ) È un'onda radio che si propaga per riflessione dall'interfaccia tra due mezzi o da disomogeneità del mezzo;
onde radio dirette (onda dritta ) - un'onda radio che si propaga direttamente dalle sorgenti al luogo di ricezione;
onde radio terrestri (onda terrestre ) - un'onda radio che si propaga vicino alla superficie terrestre e comprende un'onda diretta, un'onda riflessa dalla terra e un'onda superficiale;
onde radio ionosferiche (onda ionosferica ) - un'onda radio che si propaga per riflessione dalla ionosfera o per diffusione su di essa;
assorbimento delle onde radio (assorbimento ) - una diminuzione dell'energia di un'onda radio a causa della sua parziale transizione in energia termica a seguito dell'interazione con l'ambiente;
multipercorso (multipercorso ) - propagazione delle onde radio dall'antenna trasmittente a quella ricevente lungo più percorsi;
altezza di riflessione effettiva dello strato (altezza effettiva ) È l'altezza ipotetica della riflessione dell'onda radio dallo strato ionizzato, in funzione della distribuzione della concentrazione di elettroni sull'altezza e sulla lunghezza dell'onda radio, determinata in termini di tempo tra la trasmissione e la ricezione dell'onda ionosferica riflessa onda durante il sondaggio verticale nell'ipotesi che la velocità di propagazione dell'onda radio lungo l'intero percorso sia uguale alla velocità della luce nel vuoto;
salto ionosferico (salto ) È il percorso di propagazione di un'onda radio da un punto all'altro della superficie terrestre, il cui passaggio è accompagnato da una riflessione dalla ionosfera;
frequenza massima utilizzabile (MUF) - la più alta frequenza di emissione radio alla quale si ha propagazione ionosferica di onde radio tra determinati punti in un dato momento in determinate condizioni, questa è la frequenza che è ancora riflessa dalla ionosfera;
frequenza operativa ottimale (ORCHI) - la frequenza di emissione radio al di sotto dell'IF, alla quale è possibile effettuare comunicazioni radio stabili in determinate condizioni geofisiche. Di norma, l'ORF è inferiore del 15% rispetto al MUF;
suono ionosferico verticale (suono verticale ) - sonda ionosferica mediante segnali radio emessi verticalmente verso l'alto rispetto alla superficie terrestre, a condizione che i punti di emissione e ricezione siano allineati;
disturbo ionosferico - violazione nella distribuzione della ionizzazione nell'atmosfera, che di solito supera la variazione delle caratteristiche medie di ionizzazione per determinate condizioni geografiche;
tempesta ionosferica - disturbo ionosferico a lungo termine di elevata intensità.
Quando si determina la portata dei sistemi radio, è necessario tenere conto dell'assorbimento e della rifrazione delle onde radio durante la loro propagazione nell'atmosfera, della loro riflessione dalla ionosfera, dell'influenza della superficie sottostante lungo il percorso lungo il quale si propaga il segnale radio .
Il grado di influenza di questi fattori dipende dalla gamma di frequenze e dalle condizioni operative del sistema radio (ora del giorno, area geografica, altezza dell'antenna del trasmettitore e del ricevitore).
L'influenza dell'assorbimento e della rifrazione delle onde radio è più significativa nello strato principale inferiore dell'atmosfera, chiamato troposfera. La troposfera si estende in altezza fino a 8-10 km nelle regioni polari e fino a 16-18 km alle latitudini tropicali della Terra. La parte principale del vapore acqueo è concentrata nella troposfera, si formano nuvole e flussi turbolenti, che influenzano la propagazione delle onde radio, in particolare le gamme millimetriche, centimetriche e decimetriche, utilizzate nel radar e nella radionavigazione a corto raggio.
La riflessione delle onde radio dalla ionosfera influenza maggiormente il decametro e le onde più lunghe utilizzate nei sistemi di navigazione e comunicazione.
Consideriamo brevemente l'influenza dei fattori elencati.
L'influenza dell'attenuazione delle onde radio nella troposfera è associata al loro assorbimento da parte di molecole di ossigeno e vapore acqueo, idrometeore (pioggia, nebbia, neve) e particelle solide. L'assorbimento e la diffusione portano ad una diminuzione della densità del flusso di potenza dell'onda radio con la distanza secondo la legge esponenziale, cioè la potenza del segnale all'ingresso viene attenuata di un fattore. Il valore del fattore di attenuazione dipende dal coefficiente di attenuazione e dalla distanza percorsa dalle onde radio D. Se il coefficiente lungo tutto il percorso è costante e si considera il caso di un radar attivo con risposta passiva, allora la potenza del segnale al l'ingresso del ricevitore diminuisce a causa dell'attenuazione da a
Se esprimi, in, allora. In presenza di idrometeore e altre particelle nell'atmosfera, il coefficiente di attenuazione è la somma dei coefficienti di attenuazione parziale causati dall'assorbimento di ossigeno e vapore acqueo da parte delle molecole, nonché dall'influenza di particelle liquide e solide. L'assorbimento molecolare nell'atmosfera avviene principalmente a frequenze vicine alla risonanza. Le linee di risonanza di tutti i gas nell'atmosfera, ad eccezione dell'ossigeno e del vapore acqueo, si trovano al di fuori della gamma delle onde radio, pertanto solo l'assorbimento da parte delle molecole di ossigeno e vapore acqueo influisce in modo significativo sulla portata dell'RTS. L'assorbimento da parte delle molecole di vapore acqueo è massimo su un'onda e da parte delle molecole di ossigeno - sulle onde.
Pertanto, l'assorbimento molecolare è significativo nel centimetro e soprattutto nella gamma di lunghezze d'onda millimetriche, dove limita la gamma dei sistemi radio, in particolare dei sistemi radar che operano su segnali riflessi.
Un altro motivo per la perdita di energia del segnale durante la propagazione è la diffusione delle onde radio, principalmente da gocce di pioggia e nebbia. Maggiore è il rapporto tra il raggio della goccia , alla lunghezza d'onda
, alla lunghezza d'onda , maggiore è la perdita di energia dovuta alla sua dissipazione in tutte le direzioni. Questa dispersione aumenta in proporzione alla quarta potenza della frequenza, poiché l'EPR della caduta a
dove è la costante dielettrica dell'acqua.
Se si conoscono il diametro delle gocce e il loro numero per unità di volume, è possibile determinare il coefficiente di attenuazione. Nei libri di riferimento, il coefficiente per la pioggia è solitamente indicato in base alla sua intensità e lunghezza d'onda. Nell'intervallo centimetrico, il coefficiente di attenuazione varia approssimativamente in proporzione al quadrato della frequenza del segnale. Se a una frequenza di mm / h, quindi a una frequenza con lo stesso tasso di pioggia.
L'attenuazione delle onde radio nella nebbia è direttamente proporzionale alla concentrazione di acqua in essa contenuta. L'attenuazione delle onde radio dovuta a grandine e neve è molto inferiore a quella dovuta a pioggia o nebbia ed è solitamente trascurata.
La portata massima del radar, tenendo conto dell'attenuazione, può essere trovata dalla formula
se l'intervallo nello spazio libero è noto. Questa equazione può essere risolta graficamente presentandola in forma logaritmica. Dopo semplici trasformazioni, troviamo
Indichiamo la relativa diminuzione dell'intervallo e scriviamo l'equazione in una forma conveniente per una soluzione grafica:
La Figura 9.4 mostra la dipendenza che consente per dato e per trovare, e quindi,.
Influenza della rifrazione delle onde radio nell'atmosfera. La rifrazione (rifrazione, curvatura) delle onde radio è la deviazione della propagazione delle onde radio dal rettilineo quando passano attraverso un mezzo con parametri elettrici variabili. Le proprietà rifrattive di un mezzo sono caratterizzate dall'indice di rifrazione, che è determinato dalla sua costante dielettrica. Insieme all'indice di rifrazione nell'atmosfera, cambia con l'altitudine. Il tasso di variazione con l'altezza è caratterizzato da un gradiente, il cui valore e segno caratterizzano la rifrazione.
Quando non c'è rifrazione. Se, allora la rifrazione è considerata negativa e la traiettoria dell'onda radio è piegata lontano dalla superficie della Terra. la rifrazione è positiva e la traiettoria dell'onda radio è piegata verso la Terra, il che porta alla sua flessione da parte dell'onda radio e ad un aumento della portata dei sistemi radio e, in particolare, della portata di rilevamento radar delle navi e delle basse quelli volanti.
Per lo stato normale dell'atmosfera, cioè la rifrazione è positiva, il che porta ad un aumento della portata dell'orizzonte radio. L'influenza della rifrazione normale è presa in considerazione dall'aumento apparente del raggio terrestre di un fattore di, che è equivalente a un aumento della portata dell'orizzonte radio a. Il raggio di curvatura della traiettoria dell'onda radio è inversamente proporzionale al gradiente, cioè Quando il raggio di curvatura della traiettoria dell'onda radio è uguale al raggio della Terra e l'onda radio diretta orizzontalmente si propaga parallelamente alla superficie della Terra, piegandosi attorno ad essa. Questo è un caso di rifrazione critica, in cui è possibile un aumento significativo della portata del radar.
In condizioni anormali nella troposfera (un forte aumento di pressione, umidità, temperatura), è anche possibile la superrifrazione, in cui il raggio di curvatura della traiettoria delle onde radio diventa inferiore al raggio della Terra. In questo caso, la propagazione in guida d'onda delle onde radio su distanze molto lunghe nella troposfera è possibile se l'antenna radar e l'oggetto si trovano ad altitudini all'interno dello strato troposferico che forma il canale della guida d'onda.
Influenza della superficie sottostante. Oltre alla rifrazione atmosferica, la flessione attorno alla superficie terrestre si verifica a causa della diffrazione delle onde radio. Tuttavia, nella zona d'ombra (oltre l'orizzonte), l'intensità delle onde radio diminuisce rapidamente a causa delle perdite nella superficie sottostante, che aumentano rapidamente all'aumentare della frequenza del segnale radio. Pertanto, solo a onde superiori a 1000 m, un'onda di superficie, cioè un'onda che avvolge la superficie terrestre, può fornire una lunga autonomia del sistema (diverse centinaia e persino migliaia di chilometri). Pertanto, gli RNS a lungo raggio utilizzano onde di onde lunghe e onde super lunghe.
L'attenuazione di un'onda superficiale dipende dalla costante dielettrica e dalla conducibilità elettrica della superficie sottostante, inoltre, per la superficie marina e per i deserti sabbiosi o montani; allo stesso tempo varia nell'intervallo 0,0001 - 5 S / m. Con una diminuzione della conduttività del suolo, l'attenuazione aumenta bruscamente, quindi viene fornito il massimo raggio d'azione quando le onde radio si propagano sul mare, che è essenziale per la radionavigazione marittima.
L'influenza della superficie sottostante influisce non solo sulla portata dell'RNS, ma anche sulla loro accuratezza, poiché la velocità di fase della propagazione delle onde radio dipende anche dai parametri della superficie sottostante. In base ai parametri della superficie sottostante vengono create mappe speciali di correzione della velocità di fase, tuttavia, poiché questi parametri cambiano in base al periodo dell'anno e del giorno e persino alle condizioni meteorologiche, è praticamente impossibile eliminare completamente gli errori di posizionamento causati da un cambiamento di la velocità di fase della propagazione delle onde radio.
Le onde radio con una lunghezza superiore a 10 m possono propagarsi oltre l'orizzonte a causa di riflessioni singole o multiple dalla ionosfera.
Influenza della riflessione delle onde radio da parte della ionosfera. Le onde radio che raggiungono l'antenna ricevente dopo essere state riflesse dalla ionosfera sono chiamate spaziali.
Tali onde forniscono un raggio molto lungo, che viene utilizzato nei sistemi di comunicazione del raggio delle onde corte (decametro). Sulle onde spaziali viene effettuata anche la rilevazione radar a lunghissima distanza di alcuni bersagli (esplosioni nucleari e lanci di missili) utilizzando segnali riflessi dal bersaglio, che nel percorso di propagazione subiscono una o più riflessioni dalla ionosfera e dalla superficie terrestre. Il fenomeno della ricezione di tali segnali (l'effetto Kabanov) è stato scoperto dallo scienziato sovietico NI Kabanov nel 1947. I radar basati su questo effetto sono chiamati ionosferici o oltre l'orizzonte. In tali stazioni, operanti a lunghezze d'onda di 10-15 m, come nei radar convenzionali, l'intervallo target è determinato dal tempo di ritardo del segnale e la direzione è fissata utilizzando un'antenna direzionale. A causa dell'instabilità della ionosfera, la precisione di tali stazioni è bassa e il calcolo del raggio di azione è un compito difficile a causa della difficoltà di tenere conto delle perdite dovute alla dispersione e all'assorbimento delle onde radio lungo il percorso di propagazione, così come quando sono riflessi dalla Terra e dalla ionosfera. In questo caso si devono considerare anche le perdite dovute ad una variazione del piano di polarizzazione delle onde radio.
La dipendenza dall'altitudine ionosferica per molte ragioni porta a cambiamenti imprevedibili nel ritardo del segnale, il che rende difficile l'uso delle onde del cielo per la navigazione radio. Inoltre, l'interferenza delle onde spaziali e di superficie porta alla distorsione del segnale di superficie e riduce la precisione della posizione.
In conclusione, consideriamo le caratteristiche della propagazione delle onde radio della gamma del miriametro (super-onda lunga) con una lunghezza di 10-30 km, utilizzata nei sistemi di navigazione globale a terra. Queste onde sono scarsamente assorbite dalla superficie sottostante e sono ben riflesse da essa, oltre che dalla ionosfera, sia di notte che di giorno. Di conseguenza, le onde ultra lunghe si propagano intorno alla Terra, come in una guida d'onda delimitata dalla superficie terrestre e dalla ionosfera, su distanze molto lunghe. Allo stesso tempo, è possibile prevedere il cambiamento nella velocità di propagazione e gli sfasamenti, il che fornisce una precisione di posizionamento sufficiente per la navigazione in mare aperto.
Attualmente, gli RNS satellitari sono utilizzati per la navigazione globale, in cui, a causa dell'elevata altitudine delle orbite satellitari, viene fornita "visibilità" diretta a lunghe distanze utilizzando onde decimali che attraversano liberamente la ionosfera. un sistema che, per SRNS globali, copre l'intero spazio vicino alla Terra.
Scrivi l'equazione per la portata del radar nello spazio libero.
In che modo la portata di una stazione radar dipende dalla sua lunghezza d'onda?
In che modo il riflesso delle onde radio dalla superficie terrestre influisce sulla portata del radar?
Qual è la particolarità di rilevare oggetti bassi?
Quali sono le principali cause di attenuazione della propagazione di un segnale radar?
Determinare la portata di un radar con raggio di 3 centimetri che opera in condizioni di pioggia di mm / h (). Gamma radar nello spazio libero.
In quali condizioni la rifrazione delle onde radio porta ad un aumento anomalo della portata del radar?
Qual è l'effetto della superficie sottostante sul funzionamento del RNS?
Cos'è l'"effetto Kabanov" e come si applica nella pratica?
Perché le onde radio VLF vengono utilizzate negli RNS globali a terra?
