Encyklopedia szkolna. Propagacja fali radiowej Cechy propagacji fali radiowej
Radio to jeden z rodzajów komunikacji bezprzewodowej, w którym nośnikiem sygnału jest fala radiowa, która rozprzestrzenia się na dużą odległość. Istnieje opinia, że pod wodą nie można przesyłać sygnałów radiowych. Spróbujmy to rozgryźć dlaczego niemożliwe jest prowadzenie komunikacji radiowej między okrętami podwodnymi, i czy tak jest naprawdę.
Jak działa komunikacja radiowa między okrętami podwodnymi:
Propagacja fal radiowych odbywa się zgodnie z następującą zasadą: ten, kto nadaje sygnał o określonej częstotliwości i mocy, ustawia falę radiową. Następnie wysyłany sygnał jest modulowany do drgań o wysokiej częstotliwości. Odebrany sygnał zmodulowany jest emitowany przez specjalną antenę w określonych odległościach. Gdy odbierany jest sygnał fal radiowych, zmodulowany sygnał jest kierowany do anteny, która jest najpierw filtrowana i demodulowana. I dopiero wtedy możemy odbierać sygnał, z pewną różnicą w stosunku do sygnału, który był pierwotnie transmitowany.
Fale radiowe o najniższym zasięgu (VLF, VLF, 3-30 kHz) mogą z łatwością penetrować wodę morską na głębokość do 20 metrów.
Na przykład łódź podwodna, która nie znajduje się zbyt głęboko pod wodą, mogłaby wykorzystać ten zasięg do nawiązania i utrzymania komunikacji z załogą. A jeśli weźmiemy łódź podwodną, ale umieszczoną znacznie głębiej pod wodą, a ma ona długi kabel, na którym zamocowana jest boja z anteną, to również będzie mogła korzystać z tego zasięgu. Z uwagi na to, że boja jest zainstalowana na głębokości kilku metrów, a nawet ma niewielkie rozmiary, bardzo problematyczne jest jej odnalezienie przy pomocy sonarów wrogów. „Goliat”, to jeden z pierwszych nadajników VLF, zbudowany podczas II wojny światowej (1943) w Niemczech, po zakończeniu wojny przetransportowany do ZSRR, a w latach 1949-1952 reanimowany w rejonie Niżnego Nowogrodu i jest tam używany do dziś.
Zdjęcie lotnicze nadajnika ELF (Clam Lake, Wisconsin, 1982)
Fale radiowe o najniższej częstotliwości (ELF, ELF, do 3 kHz) z łatwością przenikają przez skorupę ziemską i morza. Stworzenie nadajnika ELF jest niezwykle trudnym zadaniem ze względu na ogromną długość fali, np. sowiecki system „ZEUS” generuje częstotliwość 82 Hz (długość fali – 3658,5 km), a amerykański „Seafarer” – 76 Hz (długość fali). - 3947 , 4 km). Ich fale są współmierne do promienia Ziemi. Stąd widzimy, że budowa anteny dipolowej na połowie długości fali (długość ≈ 2000 km) jest na obecnym etapie celem nieosiągalnym.
Podsumowując wszystko, co zostało powiedziane powyżej, musimy znaleźć taki fragment powierzchni ziemi, który będzie charakteryzował się stosunkowo niskim przewodnictwem i dołączyć do niego 2 gigantyczne elektrody, które znajdowałyby się w odległości 60 km względem każdej inny.
Skoro znamy przewodność właściwą Ziemi pod względem elektrod, to jest ona zadowalająco na niskim poziomie, dzięki czemu prąd elektryczny między elektrodami wnikałby fundamentalnie w głąb naszej planety, wykorzystując je jako pierwiastek olbrzyma antena. Należy zauważyć, że głównym źródłem niezwykle wysokich trudności technicznych takiej anteny było to, że tylko ZSRR i USA miały nadajniki ELF.
Fale radiowe i ich dystrybucja są niezaprzeczalną tajemnicą dla aspirujących fal radiowych. Tutaj możesz zapoznać się z podstawami teorii propagacji fal radiowych. Ten artykuł ma na celu zapoznanie początkujących fanów fal radiowych, a także tych, którzy mają na ten temat pewną wiedzę.
Najważniejszym wprowadzeniem, o którym często zapomina się powiedzieć przed wprowadzeniem teorii propagacji fal radiowych, jest to, że fale radiowe rozchodzą się wokół naszej planety w wyniku odbicia od jonosfery i ziemi, tak jak wiązka światła odbija się od półprzezroczystych luster.
Specyfika propagacji fal średnich i modulacji krzyżowej
Fale średnie obejmują fale radiowe o długości od 1000 do 100 m (częstotliwości 0,3 - 3,0 MHz). Fale średnie są wykorzystywane głównie do nadawania. Są też kolebką krajowego piractwa radiowego. Mogą rozprzestrzeniać się drogami naziemnymi i jonosferycznymi. Fale średnie ulegają znacznej absorpcji w półprzewodnikowej powierzchni Ziemi, odległość propagacji fali ziemskiej 1 (patrz rys. 1) jest ograniczona do odległości 500-700 km. Na duże odległości fale radiowe 2 i 3 są rozprowadzane przez falę jonosferyczną (przestrzenną).
W nocy średnie fale rozchodzą się przez odbicie od warstwy E jonosfery (patrz rys. 2), której gęstość elektronowa jest do tego wystarczająca. W ciągu dnia na drodze rozchodzenia się fali znajduje się warstwa D, która niezwykle silnie pochłania fale średnie. Dlatego przy normalnych mocach nadajników natężenie pola elektrycznego jest niewystarczające do odbioru iw ciągu dnia fale średnie rozchodzą się praktycznie tylko za pomocą fali ziemskiej na stosunkowo krótkie odległości, rzędu 1000 km. W średnim zakresie długości fal, dłuższe fale mają mniejszą absorpcję, a natężenie pola elektrycznego fali jonosferycznej jest większe przy dłuższych falach. Wchłanianie wzrasta w miesiącach letnich i spada w miesiącach zimowych. Zaburzenia jonosferyczne nie wpływają na propagację fal średnich, ponieważ warstwa E jest nieznacznie zaburzona podczas jonosferycznych burz magnetycznych.
W nocy patrz rys. 1, w pewnej odległości od nadajnika (punkt B) możliwe jest nadejście zarówno fal przestrzennych 3, jak i powierzchniowych 1, a długość drogi fali przestrzennej zmienia się wraz ze zmianą gęstości elektronowej jonosfery. Zmiana różnicy faz tych fal prowadzi do oscylacji natężenia pola elektrycznego, zwanego zanikiem pola bliskiego.
Fale 2 i 3 mogą dotrzeć w znacznej odległości od nadajnika (punkt C) przez jedno lub dwa odbicia od jonosfery. Zmiana różnicy faz między tymi dwiema falami prowadzi również do oscylacji natężenia pola elektrycznego, zwanego zanikiem pola dalekiego.
Do walki z blaknięciem na końcu nadawczym linii komunikacyjnej stosuje się anteny, których maksymalna charakterystyka promieniowania jest „dociskana” do powierzchni ziemi, w tym najprostsza antena „odwróconego V”, często używana przez radioamatorów. Przy takim kierunkowym wzorze strefa bliskiego zaniku oddala się od nadajnika, a przy dużych odległościach pole fali docierającej przez dwa odbicia jest osłabione.
Niestety nie wszyscy początkujący nadawcy pracujący w zakresie częstotliwości 1600-3000 kHz wiedzą, że słaby sygnał z nadajnika o małej mocy podlega zniekształceniom jonosferycznym. Sygnał z nadajników radiowych o większej mocy jest mniej podatny na zniekształcenia jonosferyczne. Ze względu na nieliniową jonizację jonosfery słaby sygnał jest modulowany napięciem modulującym sygnałów z potężnych stacji. Zjawisko to nazywa się modulacją krzyżową. Głębokość współczynnika modulacji sięga 5-8%. Od strony odbioru wrażenie robi kiepsko wykonany nadajnik, z wszelkiego rodzaju buczeniami i świstami, jest to szczególnie zauważalne w trybie modulacji AM.
Ze względu na modulację krzyżową do odbiornika często wnikają intensywne zakłócenia piorunowe, których nie można odfiltrować - wyładowanie piorunowe moduluje odbierany sygnał. Z tego powodu nadawcy zaczęli wykorzystywać nadajniki jednopasmowe do dwukierunkowej komunikacji radiowej i zaczęli częściej pracować na wyższych częstotliwościach. Zagraniczni nadawcy radiowi stacji CB zasilają je i kompresują sygnały modulujące, a dla niezakłóconej pracy na antenie wykorzystują częstotliwości odwrotne.
Zjawiska demodulacji i modulacji krzyżowej w jonosferze obserwuje się tylko w zakresie fal średnich (MW). W zakresie fal krótkich (SW) prędkość elektronu pod działaniem pola elektrycznego jest znikoma w porównaniu z jego prędkością termiczną, a obecność pola nie zmienia liczby zderzeń elektronu z ciężkimi cząstkami.
Najkorzystniejsze, w zakresie częstotliwości od 1500 do 3000 kHz dla komunikacji na duże odległości, są zimowe noce i okresy minimalnej aktywności słonecznej. Szczególnie komunikacja na duże odległości, ponad 10 000 km, jest zwykle możliwa o zachodzie i wschodzie słońca. W ciągu dnia komunikacja jest możliwa na odległość do 300 km. Nadawcy bezpłatnego radia FM mogą jedynie pozazdrościć tak dużych tras radiowych.
Latem zasięg ten jest często zakłócany przez wyładowania statyczne w atmosferze.
Cechy propagacji fal krótkich i ich charakterystyka
Fale krótkie obejmują fale radiowe o długości od 100 do 10 m (częstotliwości 3-30 MHz). Zaletą działania na krótkich długościach fal nad działaniem na długich falach jest to, że anteny kierunkowe można łatwo stworzyć w tym zakresie. Fale krótkie mogą rozchodzić się zarówno naziemnie, w zakresie niskich częstotliwości, jak i jonosferyczne.
Wraz ze wzrostem częstotliwości znacznie wzrasta absorpcja fal w półprzewodnikowej powierzchni Ziemi. Dlatego przy konwencjonalnych mocach nadajników krótkofalowe fale naziemne rozchodzą się na odległości nieprzekraczające kilkudziesięciu kilometrów. Na powierzchni morza odległość ta znacznie się zwiększa.
Fala jonosferyczna może rozchodzić się na falach krótkich na wiele tysięcy kilometrów, a to nie wymaga nadajników o dużej mocy. Dlatego obecnie fale krótkie są wykorzystywane głównie do komunikacji i nadawania na duże odległości.
Fale krótkie pokonują duże odległości w wyniku odbicia od jonosfery i powierzchni Ziemi. Ta metoda propagacji nazywana jest skokiem, patrz ryc. 2 i charakteryzuje się odległością przeskoków, liczbą przeskoków, kątami wyjścia i dojścia, maksymalną częstotliwością użytkową (MUF) i częstotliwością najmniejszą użytkową (LFR).
Jeśli jonosfera jest jednorodna w kierunku poziomym, to trajektoria fali jest również symetryczna. Zazwyczaj promieniowanie występuje w pewnym zakresie kątów, ponieważ szerokość charakterystyki promieniowania anten krótkofalowych w płaszczyźnie pionowej wynosi 10-15 °. Minimalna odległość skoku, dla której spełniony jest warunek odbicia, nazywana jest odległością strefy ciszy (ZM). W przypadku odbicia fali konieczne jest, aby częstotliwość robocza nie była wyższa niż wartość maksymalnej dopuszczalnej częstotliwości (MUF), która stanowi górną granicę zakresu roboczego dla danej odległości. Fala 4.
Zastosowanie anten promieniowania przeciwlotniczego, jako jednej z metod redukcji strefy ciszy, ogranicza się do koncepcji maksymalnej użytecznej częstotliwości (MUF), uwzględniającej jej redukcję o 15-20% MUF. Anteny promieniowania zenitalnego służą do nadawania w strefie bliskiej metodą jednoskokowego odbicia od jonosfery.
Drugi warunek ogranicza zakres działania od dołu: im niższa częstotliwość działania (w zakresie fal krótkich), tym silniejsza absorpcja fal w jonosferze. Najmniejsza - stosowana częstotliwość (LPF) jest wyznaczana z warunku, że przy mocy nadajnika 1 kW pole elektryczne sygnału musi przekraczać poziom szumu, a zatem absorpcja sygnału w warstwach jonosfery nie powinna być większa niż dopuszczalna. Gęstość elektronowa jonosfery zmienia się w ciągu dnia, w ciągu roku oraz w okresie aktywności słonecznej. Oznacza to, że zmieniają się również granice zakresu pracy, co prowadzi do konieczności zmiany długości fali roboczej w ciągu dnia.
Zakres częstotliwości 1,5-3 MHz, jest nocny. Oczywiste jest, że dla udanej sesji komunikacji radiowej trzeba za każdym razem wybrać odpowiednią częstotliwość (długość fali), poza tym komplikuje to projekt stacji, ale dla prawdziwego konesera komunikacji na duże odległości nie jest to trudność , to część hobby. Oceńmy pasmo HF według lokalizacji.
Zakres częstotliwości 5-8 MHz, pod wieloma względami jest podobny do zakresu 3 MHz, w przeciwieństwie do niego, tutaj w ciągu dnia można komunikować się do 2000 km, strefa ciszy (ZM) jest nieobecna i wynosi kilkadziesiąt kilometrów. W nocy komunikacja jest możliwa na każdą odległość z wyjątkiem 3M, która wzrasta do kilkuset kilometrów. W godzinach zmiany pory dnia (zachód / wschód słońca) są najwygodniejsze do komunikacji na duże odległości. Zakłócenia atmosferyczne są mniej wyraźne niż w zakresie 1,5-3 MHz.
W zakresie częstotliwości 10-15 MHz w okresach aktywności słonecznej możliwe są połączenia w ciągu dnia z prawie każdym punktem na świecie. Latem łączność radiowa w tym zakresie częstotliwości jest całodobowa, z wyjątkiem niektórych dni. Strefa ciszy nocą ma odległości 1500-2000 km i dlatego możliwa jest tylko komunikacja dalekobieżna. W ciągu dnia zmniejszają się do 400-1000 km.
Zakres częstotliwości 27-30 MHz nadaje się do komunikacji tylko w godzinach dziennych. To najbardziej kapryśny zakres. Zwykle otwiera się na kilka godzin, dni lub tygodni, zwłaszcza gdy zmieniają się pory roku, tj. jesień i wiosna. Strefa ciszy (ZM) sięga 2000-2500 km. Zjawisko to należy do tematu MUF, tutaj kąt fali odbitej musi być mały w stosunku do jonosfery, w przeciwnym razie ma duże tłumienie w jonosferze, lub po prostu ucieczka w kosmos. Małe kąty promieniowania odpowiadają dużym skokom i odpowiednio dużym strefom ciszy. W okresach największej aktywności słonecznej komunikacja jest możliwa w nocy.
Oprócz powyższych modeli możliwe są przypadki nieprawidłowej propagacji fal radiowych. Nieprawidłowa propagacja może wystąpić, gdy na drodze fali pojawia się sporadyczna warstwa, od której mogą być odbijane fale krótsze, nawet metrowe. Zjawisko to można zaobserwować w praktyce po przejściu odległych stacji telewizyjnych i radiowych FM. MUF sygnału radiowego w tych godzinach osiąga 60-100 MHz w latach aktywności słonecznej.
UKF FM, z wyjątkiem rzadkich przypadków anomalnej propagacji fal radiowych, propagacja jest ściśle związana z tak zwaną „linią widzenia”. Propagacja fal radiowych w zasięgu wzroku mówi sama za siebie i wynika z wysokości anten nadawczej i odbiorczej. Oczywiste jest, że w warunkach zabudowy miejskiej nie można mówić o jakiejkolwiek widzialności wizualnej i bezpośredniej, ale fale radiowe przechodzą przez zabudowę miejską z pewnym osłabieniem. Im wyższa częstotliwość, tym wyższe tłumienie w obszarach miejskich. Zakres częstotliwości 88-108 MHz również podlega pewnemu tłumieniu w środowisku miejskim.
Zanik sygnałów radiowych HF
Odbiorowi krótkich fal radiowych zawsze towarzyszy pomiar poziomu odbieranego sygnału, a zmiana ta ma charakter losowy i przejściowy. Zjawisko to nazywane jest zanikaniem (zanikaniem) sygnału radiowego. Na antenie obserwuje się szybkie i powolne zanikanie sygnału. Głębokość zanikania może wynosić nawet kilkadziesiąt decybeli.
Główną przyczyną szybkiego zaniku sygnału jest wielościeżkowa łączność radiowa. W tym przypadku przyczyną zaniku jest dotarcie do punktu odbioru dwóch wiązek rozchodzących się w jednym i dwóch odbiciach od jonosfery, fali 1 i fali 3, patrz rys. 2.
Ponieważ promienie poruszają się różnymi drogami na odległość, ich fazy nadejścia nie są takie same. Zmiany gęstości elektronowej, zachodzące w sposób ciągły w jonosferze, prowadzą do zmiany długości drogi każdego z promieni, a w konsekwencji do zmiany różnicy faz między promieniami. Aby zmienić fazę fali o 180 ° wystarczy, że długość drogi zmieni się tylko o ½. Należy przypomnieć, że gdy wiązki tego samego sygnału docierają do punktu odbioru z taką samą siłą i różnicą faz 180 °, są one całkowicie odejmowane zgodnie z prawem wektorów, w tym przypadku z siłą przychodzącego sygnału może wynosić zero. Tak niewielkie zmiany długości ścieżki mogą zachodzić w sposób ciągły, dlatego wahania natężenia pola elektrycznego w zakresie krótkich długości fal są częste i głębokie. Interwał obserwacji wynoszący 3-7 minut może być przy niskich częstotliwościach w zakresie HF i do 0,5 sekundy przy częstotliwościach zbliżonych do 30 MHz.
Ponadto zanikanie sygnału spowodowane jest rozpraszaniem fal radiowych przez nieregularności jonosferyczne oraz interferencją fal rozproszonych.
Oprócz zanikania interferencji, na krótkich długościach fal ma miejsce zanikanie polaryzacji. Przyczyną zaniku polaryzacji jest obrót płaszczyzny polaryzacji fali względem odbieranej anteny. Dzieje się tak, gdy fala rozchodzi się w kierunku linii siły ziemskiego pola magnetycznego i ze zmianą gęstości elektronowej jonosfery. Jeżeli antenami nadawczymi i odbiorczymi są wibratory poziome, to wypromieniowana fala o polaryzacji poziomej po przejściu przez jonosferę ulegnie rotacji płaszczyzny polaryzacji. Prowadzi to do wahań m.in. itp., indukowane w antenie, co ma dodatkowe tłumienie do 10 dB.
W praktyce wszystkie wskazane przyczyny zaniku sygnału działają z reguły w sposób złożony i są zgodne z opisanym prawem rozkładu Rayleigha.
Oprócz szybkiego zanikania obserwuje się powolne zanikanie, które obserwuje się z okresem 40-60 minut w niskiej częstotliwości zakresu HF. Powodem tego blaknięcia jest zmiana absorpcji fal radiowych w jonosferze. Rozkład amplitudy obwiedni sygnału przy powolnym zanikaniu jest zgodny z normalnym prawem logarytmicznym ze spadkiem sygnału do 8-12 dB.
Aby zwalczyć blaknięcie, odbiór różnorodności jest używany na krótkich falach. Faktem jest, że wzrost i spadek natężenia pola elektrycznego nie występują jednocześnie, nawet na stosunkowo niewielkim obszarze powierzchni ziemi. W praktyce komunikacji krótkofalowej stosuje się zwykle dwie anteny oddzielone odległością kilku długości fal, a sygnały są dodawane po wykryciu. Efektywna jest różnorodność anten w polaryzacji, tj. równoczesny odbiór na antenach pionowych i poziomych z późniejszym dodawaniem sygnałów po wykryciu.
Należy zauważyć, że te środki kontrolne są skuteczne tylko w eliminowaniu szybkiego zanikania, powolne zmiany sygnału nie są eliminowane, ponieważ wiąże się to ze zmianą absorpcji fal radiowych w jonosferze.
W praktyce radioamatorskiej metoda anteny różnicowej jest stosowana dość rzadko, ze względu na jej wysoki koszt strukturalny i brak potrzeby odbierania wystarczająco wiarygodnych informacji. Wynika to z faktu, że amatorzy często używają anten rezonansowych i pasmowych, których ilość w jego gospodarstwie domowym wynosi około 2-3 sztuk. Korzystanie z odbioru różnorodności wymaga co najmniej podwojenia parku antenowego.
Inną rzeczą jest to, że gdy amator mieszka na wsi, mając wystarczająco dużo miejsca, aby pomieścić konstrukcję zapobiegającą blaknięciu, może po prostu użyć do tego dwóch wibratorów szerokopasmowych, obejmujących wszystkie lub prawie wszystkie niezbędne zakresy. Jeden wibrator powinien być pionowy, drugi poziomy. Do tego wcale nie jest konieczne posiadanie kilku masztów. Wystarczy umieścić je tak, na tym samym maszcie, aby były zorientowane względem siebie pod kątem 90 °. W tym przypadku dwie anteny będą przypominać dobrze znaną antenę „odwróconego V”.
Obliczanie promienia pokrycia sygnałem radiowym w pasmach VHF/FM
Częstotliwości z zakresu mierników są rozłożone w zasięgu wzroku. Promień propagacji fali radiowej w zasięgu wzroku bez uwzględnienia mocy promieniowania nadajnika i innych zjawisk naturalnych, które zmniejszają skuteczność komunikacji, wygląda następująco:
r = 3,57 (√h1 + √h2), km,
Oblicz promienie linii wzroku przy montażu anteny odbiorczej na różnych wysokościach, gdzie h1 jest parametrem, h2 = 1,5 m. Podsumujmy je w tabeli 1.
Tabela 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 |
Formuła ta nie uwzględnia tłumienia sygnału i mocy nadajnika, mówi jedynie o możliwości widzenia w linii wzroku, biorąc pod uwagę idealnie zaokrąglone podłoże.
Zróbmy kalkulację wymagany poziom sygnału radiowego wraz z odbiorem na długości fali 3 m.
Ponieważ na drogach pomiędzy stacją nadawczą a poruszającym się obiektem zawsze występują takie zjawiska jak odbicie, rozpraszanie, pochłanianie sygnałów radiowych przez różne obiekty itp., należy wprowadzić poprawki do poziomu tłumienia sygnału, co zasugerował Japończyk. naukowiec Okumura. Odchylenie standardowe dla tego zakresu z zabudową miejską wyniesie 3 dB, a przy prawdopodobieństwie komunikacji 99% wprowadzimy współczynnik 2, który spowoduje całkowitą poprawkę P w poziomie sygnału radiowego w
P = 3 × 2 = 6 dB.
Czułość odbiorników jest określona przez stosunek sygnału użytecznego do szumu 12 dB, tj. 4 razy. Taki stosunek jest nie do zaakceptowania w przypadku nadawania wysokiej jakości, dlatego wprowadzimy dodatkową korektę o kolejne 12–20 dB, zaakceptujemy 14 dB.
W sumie całkowita korekta poziomu odbieranego sygnału, uwzględniająca jego tłumienie na ścieżce oraz specyfikę urządzenia odbiorczego, wyniesie: 6 + 16 20 dB (10 razy). Następnie z czułością odbiornika 1,5 μV. w miejscu odbioru pole o natężeniu 15 μV/m.
Oblicz za pomocą formuły Vvedensky zasięg przy danym natężeniu pola 15 μV/m z uwzględnieniem mocy nadajnika, czułości odbiornika oraz terenów zabudowanych:
gdzie r to km; Р - kW; G - dB (= 1); h - m; λ - m; E - mV.
Obliczenia te nie uwzględniają wzmocnienia anteny odbiorczej, a także tłumienia w podajniku i filtrze pasmowym.
Odpowiedź: Przy mocy 10 W, wysokości promieniowania h1 = 27 metrów i h2 = 1,5 m, naprawdę wysokiej jakości odbiór radiowy o promieniu w budynkach miejskich wyniesie 2,5-2,6 km. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że odbiór sygnałów radiowych z Twojego nadajnika radiowego będzie realizowany na średnich i wysokich piętrach budynków mieszkalnych, to zasięg ten wzrośnie około 2-3 razy. Jeśli odbierasz sygnały radiowe do zdalnej anteny, zasięg wyniesie kilkadziesiąt kilometrów.
73! UA9LBG i radio-wektor-Tiumeń
Prawa propagacji fal radiowych w wolnej przestrzeni są stosunkowo proste, ale najczęściej radiotechnika nie zajmuje się wolną przestrzenią, ale propagacją fal radiowych po powierzchni Ziemi. Jak pokazują doświadczenie i teoria, powierzchnia Ziemi silnie wpływa na propagację fal radiowych, a zarówno właściwości fizyczne powierzchni, np. rozlewy między morzem a lądem), jak i jej kształt geometryczny (ogólna krzywizna powierzchni, m.in. na przykład różnice między morzem a lądem) i jego geometryczny kształt (ogólna krzywizna powierzchni ziemi i poszczególne nierówności w rzeźbie - góry, wąwozy itp.). Ten efekt jest inny dla fal o różnych długościach i dla fal o różnych długościach i dla różnych odległości między nadajnikiem a odbiornikiem.
Wpływ kształtu powierzchni ziemi na propagację fal radiowych jest wyraźny od poprzedniego. Mamy tu przecież w istocie do czynienia z różnymi przejawami dyfrakcji fal pochodzących od emitera (§ 41), zarówno na kuli ziemskiej jako całości, jak i na poszczególnych cechach reliefu. Wiemy, że dyfrakcja w dużym stopniu zależy od relacji między długością fali a rozmiarem ciała na ścieżce fali. Nic więc dziwnego, że krzywizna powierzchni ziemi i jej rzeźba mają różny wpływ na rozchodzenie się fal o różnej długości.
I tak np. pasmo górskie rzuca "radiowy cień" w przypadku fal krótkich, podczas gdy wystarczająco długie (kilka kilometrów) fale dobrze omijają tę przeszkodę i na zboczu góry naprzeciw radiostacji są lekko osłabione (rys. 147).
Ryż. 147. W przypadku fal krótkich góra opada „radiowy cień”. Długie fale krążą wokół góry
Jeśli chodzi o kulę ziemską jako całość, jest ona niezwykle duża, nawet w porównaniu z najdłuższymi falami używanymi w radiu. Bardzo krótkie fale, np. metrowe, nie zawijają wyraźnie żadnych poza horyzont, czyli poza linię wzroku. Im dłuższe fale, tym lepiej krążą po powierzchni globu, ale nawet najdłuższa z zastosowanych fal nie mogła, ze względu na dyfrakcję, owinąć się tak bardzo, aby okrążyć kulę ziemską - od nas na antypody. Jeśli jednak komunikacja radiowa odbywa się między dowolnymi punktami kuli ziemskiej i na falach o bardzo różnych długościach, jest to możliwe nie z powodu dyfrakcji, ale z zupełnie innego powodu, o którym będziemy mówić nieco dalej.
Wpływ właściwości fizycznych powierzchni ziemi na propagację fal radiowych wynika z faktu, że pod wpływem tych fal w glebie i wodzie morskiej powstają prądy elektryczne o wysokiej częstotliwości, które są najsilniejsze w pobliżu anteny nadajnika . Część energii fali radiowej jest zużywana na utrzymanie tych prądów, które uwalniają odpowiednią ilość ciepła Joule'a w glebie lub wodzie. Te straty energii (a tym samym tłumienie fali spowodowane stratami) zależą z jednej strony od przewodności gruntu, az drugiej od długości fali. Fale krótkie są tłumione znacznie bardziej niż fale długie. Przy dobrej przewodności (woda morska) prądy o wysokiej częstotliwości przenikają z powierzchni na płytszą głębokość niż przy słabym przewodnictwie (gleba), a straty energii w pierwszym przypadku są znacznie mniejsze. W rezultacie zasięg działania tego samego nadajnika okazuje się znacznie (kilkakrotnie) większy, gdy fale rozchodzą się po morzu, niż podczas rozchodzenia się po lądzie.
Zauważyliśmy już, że rozchodzenia się fal radiowych na bardzo duże odległości nie można wytłumaczyć dyfrakcją na kuli ziemskiej. Tymczasem radiokomunikacja na duże odległości (kilka tysięcy kilometrów) była prowadzona już w pierwszych latach po wynalezieniu radia. W dzisiejszych czasach każdy radioamator wie, że fale długie (więcej) i średnie 
stacje w zimowe noce słychać z odległości wielu tysięcy kilometrów, podczas gdy w dzień, zwłaszcza w miesiącach letnich, te same stacje słychać z odległości zaledwie kilkuset kilometrów. W zakresie fal krótkich 
sytuacja jest inna. Tutaj, o każdej porze dnia i roku, można znaleźć takie długości fal, przy których można niezawodnie pokonywać dowolne odległości. Aby zapewnić całodobową komunikację, musisz pracować o różnych porach dnia na falach o różnej długości. Zależność zasięgu propagacji fal radiowych od pory roku i dnia wymusiła powiązanie warunków propagacji fal radiowych na Ziemi z wpływem Słońca. Ten związek jest teraz dobrze zbadany i wyjaśniony.
Słońce wraz ze światłem widzialnym emituje silne promieniowanie ultrafioletowe oraz dużą liczbę szybko naładowanych cząstek, które wchodząc do atmosfery ziemskiej silnie jonizują jej górne obszary. W rezultacie powstaje kilka warstw zjonizowanych gazów, znajdujących się na różnych wysokościach. 
.
Obecność takich śladów dała powód do nazwania górnych warstw atmosfery ziemskiej jonosferą.
Obecność jonów i wolnych elektronów nadaje jonosferze właściwości, które wyraźnie odróżniają ją od reszty atmosfery. Zachowując zdolność do przesyłania światła widzialnego, promieniowania podczerwonego i fal radiowych mierzonych, jonosfera silnie odbija dłuższe fale; dla takich fal (więcej) Ziemia jest otoczona rodzajem kulistego „zwierciadła”, a propagacja tych fal radiowych zachodzi między dwiema odbijającymi sferycznymi powierzchniami - powierzchnią Ziemi i „powierzchnią” jonosfery (ryc. 148 ). Dlatego fale radiowe są w stanie zagiąć się na całym świecie.
Ryż. 148. Fala przechodzi między Ziemią a jonosferą
Oczywiście słów „powierzchnia sferycznego zwierciadła jonosfery” nie należy brać dosłownie. Zjonizowane warstwy nie mają ostrej granicy, nie obserwuje się również prawidłowego kształtu kulistego (przynajmniej jednocześnie na całym globie); jonizacja jest różna w różnych warstwach (w górnych warstwach jest większa niż w dolnych), a same warstwy polegają na ciągłym przemieszczaniu się i zmianach „chmur”. Takie niejednorodne „zwierciadło” nie tylko odbija, ale także pochłania i rozprasza fale radiowe, i znowu inaczej w zależności od długości fali. Ponadto z czasem zmieniają się właściwości „lustra”. W dzień, pod wpływem promieniowania słonecznego, jonizacja jest znacznie większa niż w nocy, kiedy następuje jedynie ponowne zjednoczenie jonów dodatnich i elektronów ujemnych w cząsteczki obojętne (rekombinacja). Różnica w jonizacji między dniem a nocą jest szczególnie duża w dolnych warstwach jonosfery. Tutaj gęstość powietrza jest wyższa, zderzenia między jonami i elektronami występują częściej, a rekombinacja jest intensywniejsza. W nocy jonizacja dolnych warstw jonosfery może zdążyć spaść do zera. Jonizacja jest również różna w zależności od pory roku, czyli wysokości wschodu Słońca nad horyzontem.
Badanie dobowych i sezonowych zmian stanu jonosfery pozwoliło nie tylko wyjaśnić, ale także przewidzieć warunki przejścia fal radiowych o różnej długości w różnych porach dnia i roku (prognozy radiowe).
Obecność jonosfery nie tylko umożliwia komunikację na krótkich falach na duże odległości, ale także pozwala falom radiowym okrążać czasami cały glob, a nawet kilka razy. Z tego powodu podczas odbioru radiowego występuje osobliwe zjawisko, tak zwane echo radiowe, w którym sygnał jest kilkakrotnie odbierany przez odbiornik: po dotarciu sygnału najkrótszą drogą od nadajnika można usłyszeć powtarzające się sygnały które okrążyły kulę ziemską.
Często zdarza się, że fala przemieszcza się od nadajnika do odbiornika kilkoma różnymi drogami, doświadczając różnej liczby odbić od jonosfery i powierzchni ziemi (ryc. 149). Oczywiście fale pochodzące z tego samego nadajnika są spójne i mogą interferować w punkcie odbioru, osłabiając lub wzmacniając się nawzajem w zależności od różnicy ścieżek. Ponieważ jonosfera nie jest absolutnie stabilnym „lustrem”, ale zmienia się w czasie, zmienia się również różnica w drogach fal docierających różnymi drogami od nadajnika do odbiornika, co skutkuje wzmocnieniem itp. Można powiedzieć, że prążki interferencyjne „pełzają” po powierzchniach Ziemi, a odbiornik jest teraz w maksimum, raz w minimum drgań. W odbieranej transmisji uzyskuje się zmianę dobrej słyszalności i zanikanie odbioru, w której słyszalność może spaść do zera.
Ryż. 149. Różne ścieżki fal od nadajnika do odbiornika
Podobne zjawisko obserwuje się na ekranie telewizora, gdy samolot przelatuje nad okolicą anteny odbiorczej. Odbita przez samolot fala radiowa zakłóca falę ze stacji nadawczej i widzimy jak obraz „mruga” ze względu na to, że biegną „pasma” interferencyjne o naprzemiennym wzmocnieniu i tłumieniu sygnału (ze względu na ruch samolot) za anteną odbiorczą.
Należy zauważyć, że podczas odbioru programu telewizyjnego w mieście dość często obserwuje się podwojenie (a nawet „zwielokrotnienie”) obrazu na ekranie kineskopu: składa się on z dwóch lub więcej obrazów, w różnym stopniu, przesuniętych względem siebie poziomo. Jest to wynik odbicia fal radiowych od domów, wież itp. Odbite fale pokonują dłuższą drogę niż odległość między antenami nadawczymi i odbiorczymi, a zatem są opóźnione w dawaniu obrazu. przesunięty w kierunku skanowania wiązki elektronów w CRT. W istocie jesteśmy tu na własne oczy świadkami rozchodzenia się fal radiowych ze skończoną prędkością.
Przezroczystość jonosfery dla fal radiowych, których długość jest krótsza, umożliwiła wykrycie emisji radiowej pochodzącej ze źródeł pozaziemskich. Pojawił się również w latach 40-tych. naszego stulecia radioastronomia szybko się rozwija, co otworzyło nowe możliwości badania Wszechświata, wykraczające poza te dostępne dla zwykłej (optycznej) astronomii. Buduje się coraz więcej radioteleskopów, zwiększa się wielkość ich anten, wzrasta czułość odbiorników, a w efekcie stale rośnie liczba i różnorodność odkrytych pozaziemskich źródeł radiowych.
Okazało się, że fale radiowe emitowane są zarówno przez Słońce, jak i planety, a poza naszym Układem Słonecznym - wiele mgławic i tzw. supernowych. Wiele źródeł emisji radiowej odkrywa się poza naszym układem gwiezdnym (Galaktyką). W zasadzie są to inne układy galaktyczne i tylko niewielka ich część jest identyfikowana z mgławicami obserwowanymi optycznie. „Galaktyki radiowe” zostały również znalezione w tak dużych odległościach od nas (wiele miliardów lat), które są poza zasięgiem najpotężniejszych nowoczesnych teleskopów optycznych. Odkryto intensywne źródła emisji radiowej o bardzo małych wymiarach kątowych (ułamki sekundy łukowej). Początkowo uważano je za szczególny rodzaj gwiazd należących do naszej Galaktyki i dlatego nazywano je źródłami quasi-gwiazdowymi lub kwazarami. Ale od 1962 stało się jasne, że kwazary są obiektami pozagalaktycznymi o ogromnej mocy emisji radiowej.
Pojedyncze lub, jak mówią, dyskretne źródła radiowe w naszej Galaktyce emitują szeroki zakres długości fal. Odkryto jednak również „monochromatyczną” emisję radiową o długości fali emitowanej przez międzygwiazdowy wodór. Badanie tego promieniowania umożliwiło znalezienie całkowitej masy międzygwiazdowego wodoru i ustalenie jego rozkładu w całej Galaktyce. Ostatnio udało się wykryć monochromatyczną emisję radiową na długościach fal charakterystycznych dla innych pierwiastków chemicznych.
Dla wszystkich wyżej wymienionych źródeł emisji radiowej intensywność jest bardzo stała. Tylko w niektórych przypadkach (w szczególności w pobliżu Słońca) pojedyncze przypadkowe błyski emisji radiowej są obserwowane na ogólnym stałym tle. Rok 1968 upłynął pod znakiem nowego odkrycia radioastronomicznego o wielkim znaczeniu: odkryto źródła (w większości zlokalizowane w Galaktyce) emitujące ściśle okresowe impulsy fal radiowych. Źródła te nazywane są pulsarami. Okresy powtarzania impulsów dla różnych pulsarów są różne i wahają się od kilku sekund do kilku setnych sekundy lub nawet mniej. Charakter emisji radiowej z pulsarów wydaje się być najbardziej wiarygodnym wyjaśnieniem, jeśli założymy, że pulsary to wirujące gwiazdy, składające się głównie z neutronów (gwiazd neutronowych). Odkrycie i możliwość obserwacji takich gwiazd to wielkie naukowe znaczenie tego odkrycia radioastronomicznego.
Oprócz odbierania własnej emisji radiowej z ciał Układu Słonecznego wykorzystuje się również ich radar. Jest to tak zwana astronomia radarowa. Odbierając sygnały radiowe z potężnych radarów odbitych od którejkolwiek z planet, można bardzo dokładnie zmierzyć odległość do tej planety, oszacować prędkość jej obrotu wokół osi i ocenić (według intensywności odbicia fal radiowych o różnej długości) o właściwościach powierzchni i atmosfery planety.
Podsumowując, zauważamy, że przezroczystość jonosfery dla wystarczająco krótkich fal radiowych umożliwia również prowadzenie wszelkiego rodzaju komunikacji radiowej ze sztucznymi satelitami Ziemi i statkami kosmicznymi (komunikacja właściwa, sterowanie radiowe, telewizja, a także telemetria - transmisja odczytów różnych przyrządów pomiarowych do ziemi). Z tego samego powodu możliwe jest obecnie wykorzystanie fal radiowych metrowych do komunikacji i telewizji pomiędzy bardzo odległymi od siebie punktami na powierzchni Ziemi (na przykład między Moskwą a naszymi dalekowschodnimi miastami), za pomocą pojedynczego przekaźnika transmisji przez specjalne satelity, na których zainstalowane są urządzenia odbiorcze i nadawcze.
Zakres częstotliwości radiowych i jego wykorzystanie do komunikacji radiowej
2.1 Podstawy propagacji radiowej
Komunikacja radiowa zapewnia przesyłanie informacji na odległość za pomocą fal elektromagnetycznych (fal radiowych).
Fale radiowe- są to oscylacje elektromagnetyczne, które rozchodzą się w kosmosie z prędkością światła (300 000 km/s). Nawiasem mówiąc, światło odnosi się również do fal elektromagnetycznych, co determinuje ich bardzo podobne właściwości (odbicie, załamanie, tłumienie itp.).
Fale radiowe przenoszą przez przestrzeń energię emitowaną przez oscylator elektromagnetyczny. I rodzą się, gdy zmienia się pole elektryczne, na przykład, gdy zmienny prąd elektryczny przepływa przez przewodnik lub gdy iskry przeskakują w przestrzeni, tj. seria szybko następujących po sobie impulsów prądu.
Ryż. 2.1 Budowa fali elektromagnetycznej.
Promieniowanie elektromagnetyczne charakteryzuje się częstotliwością, długością fali i mocą przesyłanej energii. Częstotliwość fal elektromagnetycznych pokazuje, ile razy na sekundę zmienia się kierunek prądu elektrycznego w emiterze, a zatem ile razy na sekundę zmienia się wielkość pola elektrycznego i magnetycznego w każdym punkcie przestrzeni.
Częstotliwość mierzona jest w hercach (Hz) - jednostkach nazwanych na cześć wielkiego niemieckiego naukowca Heinricha Rudolfa Hertza. 1 Hz to jedna oscylacja na sekundę, 1 megaherc (MHz) to milion oscylacji na sekundę. Wiedząc, że prędkość ruchu fal elektromagnetycznych jest równa prędkości światła, można wyznaczyć odległość między punktami w przestrzeni, w których pole elektryczne (lub magnetyczne) jest w tej samej fazie. Ta odległość nazywana jest długością fali.
Długość fali (w metrach) oblicza się według wzoru:
lub z grubsza
gdzie f jest częstotliwością promieniowania elektromagnetycznego w MHz.
Ze wzoru widać, że na przykład częstotliwość 1 MHz odpowiada długości fali około 300 m. Wraz ze wzrostem częstotliwości długość fali maleje, wraz ze spadkiem wzrasta.
Fale elektromagnetyczne swobodnie przechodzą przez powietrze lub przestrzeń kosmiczną (próżnia). Ale jeśli metalowy drut, antena lub jakikolwiek inny element przewodzący spotka się na ścieżce fali, wówczas oddają jej swoją energię, powodując w ten sposób przemienny prąd elektryczny w tym przewodniku. Ale nie cała energia fal jest pochłaniana przez przewodnik, część jest odbijana od powierzchni. Nawiasem mówiąc, na tym opiera się wykorzystanie fal elektromagnetycznych w radarze.
Inną przydatną właściwością fal elektromagnetycznych (jak i wszelkich innych) jest ich zdolność do pochylania się wokół ciał na ich drodze. Ale jest to możliwe tylko w przypadku, gdy wielkość ciała jest mniejsza niż długość fali lub porównywalna z nią. Na przykład, aby wykryć samolot, długość fali radiowej radaru musi być mniejsza niż jej wymiary geometryczne (mniej niż 10 m). Jeśli ciało jest dłuższe niż długość fali, może je odbijać. Ale może to nie odzwierciedlać - pamiętaj "Stealth".
Energia niesiona przez fale elektromagnetyczne zależy od mocy generatora (emitera) i odległości do niego, tj. strumień energii na jednostkę powierzchni jest wprost proporcjonalny do mocy promieniowania i odwrotnie proporcjonalny do kwadratu odległości od promiennika. Oznacza to, że zasięg komunikacji zależy od mocy nadajnika, ale w znacznie większym stopniu od odległości do niego.
Na przykład strumień energii promieniowania elektromagnetycznego Słońca na powierzchni Ziemi sięga 1 kilowata na metr kwadratowy, podczas gdy strumień energii średniofalowej stacji radiowej wynosi tylko tysięczne, a nawet milionowe części wata na metr kwadratowy.
2.2 Przydział widma radiowego
Fale radiowe (częstotliwości radiowe) wykorzystywane w inżynierii radiowej obejmują widmo od 10 000 m (30 kHz) do 0,1 mm (3000 GHz). To tylko część szerokiego spektrum fal elektromagnetycznych. Po falach radiowych (o malejącej długości) następuje ciepło lub promienie podczerwone. Po nich jest wąski odcinek widzialnych fal świetlnych, a następnie - widmo ultrafioletowe, rentgenowskie i gamma - wszystko to są oscylacje elektromagnetyczne o tej samej naturze, różniące się tylko długością fali, a zatem częstotliwością.
Choć całe spektrum podzielone jest na regiony, granice między nimi są nakreślone umownie. Regiony następują nieprzerwanie jeden po drugim, przechodzą jeden w drugi, aw niektórych przypadkach zachodzą na siebie.
Ale te zasięgi są bardzo rozległe i z kolei podzielone są na sekcje, które obejmują tzw. pasma nadawcze i telewizyjne, zasięgi dla łączności naziemnej i lotniczej, kosmicznej i morskiej, dla transmisji danych i medycyny, dla radaru i radionawigacji, itp. Każdej usłudze radiowej przydzielona jest osobna sekcja zakresu lub częstotliwości stałych. W rzeczywistości do celów komunikacji radiowej wykorzystuje się oscylacje w zakresie częstotliwości od 10 kHz do 100 GHz. Wykorzystanie określonego przedziału częstotliwości do komunikacji zależy od wielu czynników, w szczególności od warunków propagacji fal radiowych o różnych zasięgach, wymaganego zasięgu komunikacji, wykonalności wartości mocy nadajnika w wybranym przedziale częstotliwości itp.
Na mocy umów międzynarodowych całe spektrum fal radiowych wykorzystywanych w komunikacji radiowej dzieli się na zakresy (tabela 1):
Tabela 1
| Nr przedmiotu | Nazwa zakresu | Granice zasięgu | |||
| Fale | Przestarzałe terminy | Częstotliwości | Fale radiowe | Częstotliwości | |
| 1 | Mierniki DKMGMVDecaMega | Niezwykle niskie częstotliwości (ELF) | 100 000-10 000 km | 3-30 Hz | |
| 2 | MGMV | Ultraniskie częstotliwości (ELF) | 10.000-1.000 km | 30-3000 Hz | |
| 3 | GCMMVHect-kilometr | Infra-niskie częstotliwości (LF) | 1000-100 km | 0,3-3 kHz | |
| 4 | MRMV | ADV | Bardzo niska częstotliwość (VLF) VLF | 100-10 km | 3-30kHz |
| 5 | KMVKilometr | DV | Niskie częstotliwości (LF) LF | 10-1 km | 30-300kHz |
| 6 | GCMV Hektametr | SV | Średnie częstotliwości (MF) VF | 1000-100m | 0,3-3 MHz |
| 7 | DKMVDekametr | Kv | Tony wysokie (HF) HF | 100-10m | 3-30 MHz |
| 8 | Miernik MV | UKF | Bardzo wysoka częstotliwość (VHF) VHF | 10-1m | 30-300 MHz |
| 9 | DCMV | UKF | Ultra wysoka częstotliwość (UHF) UHF | 10-1 dm | 0,3-3 GHz |
| 10 | SMVS centymetr | UKF | Ultrawysoka częstotliwość (mikrofalówka) SHF | 10-1 cm | 3-30 GHz |
| 11 | MMVMmilimetr | UKF | Ekstremalnie wysoka częstotliwość (EHF) EHF | 10-1 mm | 30-300 GHz |
| 12 | DCMMVDecimilli- metr Submillie- metr |
SUMA | Bardzo wysokie częstotliwości (HHF) | 1-0.1mm | 0,3-3 THz |
| 13 | Lekki | < 0,1 мм | > 3 THz | ||
Ryż. 2.2 Przykład przydziału widma pomiędzy różne usługi.
Fale radiowe są wypromieniowywane przez antenę w przestrzeń i rozprowadzane jako energia w polu elektromagnetycznym. Chociaż natura fal radiowych jest taka sama, ich zdolność propagacji w dużym stopniu zależy od długości fali.
W przypadku fal radiowych ziemia jest przewodnikiem elektryczności (choć niezbyt dobrym). Przechodząc po powierzchni ziemi, fale radiowe stopniowo słabną. Wynika to z faktu, że fale elektromagnetyczne wzbudzają prądy elektryczne na powierzchni ziemi, na które zużywana jest część energii. Te. energia jest pochłaniana przez ziemię, a im więcej, tym krótsza długość fali (wyższa częstotliwość).
Ponadto energia fali również słabnie, ponieważ promieniowanie rozchodzi się we wszystkich kierunkach przestrzeni, a zatem im dalej od nadajnika znajduje się odbiornik, tym mniej energii przypada na jednostkę powierzchni i tym mniej dociera do anteny.
Transmisje długofalowe można odbierać na odległość do kilku tysięcy kilometrów, a poziom sygnału spada płynnie, bez skoków. Stacje fal średnich można usłyszeć w promieniu tysiąca kilometrów. Jeśli chodzi o fale krótkie, ich energia gwałtownie spada wraz z odległością od nadajnika. To wyjaśnia fakt, że na początku rozwoju radia fale od 1 do 30 km były wykorzystywane głównie do komunikacji. Fale krótsze niż 100 metrów były ogólnie uważane za nieodpowiednie do komunikacji na duże odległości.
Jednak dalsze badania fal krótkich i ultrakrótkich wykazały, że szybko zanikają one podczas przemieszczania się w pobliżu powierzchni Ziemi. Kiedy promieniowanie skierowane jest w górę, powracają fale krótkie.
W 1902 r. angielski matematyk Oliver Heaviside i amerykański inżynier elektryk Arthur Edwin Kennelly niemal jednocześnie przewidzieli, że nad Ziemią znajduje się zjonizowana warstwa powietrza – naturalne lustro, które odbija fale elektromagnetyczne. Ta warstwa została nazwana jonosfera.
Jonosfera Ziemi miała umożliwić zwiększenie zasięgu propagacji fal radiowych na odległości przekraczające linię wzroku. Założenie to zostało eksperymentalnie udowodnione w 1923 roku. Impulsy RF były przesyłane pionowo w górę i odbierane były sygnały zwrotne. Pomiary czasu między wysłaniem a odbiorem impulsów pozwoliły na określenie wysokości i liczby warstw odbicia.
2.3 Wpływ atmosfery na propagację fal radiowych
Charakter propagacji fal radiowych zależy od długości fali, krzywizny Ziemi, gleby, składu atmosfery, pory dnia i roku, stanu jonosfery, pola magnetycznego Ziemi oraz warunków meteorologicznych.
Rozważmy strukturę atmosfery, która ma istotny wpływ na propagację fal radiowych. Zawartość wilgoci i gęstość powietrza zmieniają się w zależności od pory dnia i roku.
Powietrze otaczające powierzchnię ziemi tworzy atmosferę o wysokości około 1000-2000 km. Skład atmosfery ziemskiej jest niejednorodny.
Ryż. 2.3 Struktura atmosfery.
Warstwy atmosfery o wysokości do około 100-130 km mają jednorodny skład. Warstwy te zawierają powietrze zawierające (objętościowo) 78% azotu i 21% tlenu. Dolna warstwa atmosfery o grubości 10-15 km (ryc. 2.3) nazywa się troposfera... Warstwa ta zawiera parę wodną, której zawartość zmienia się gwałtownie wraz ze zmieniającymi się warunkami meteorologicznymi.
Troposfera stopniowo zamienia się w stratosfera... Granica to wysokość, na której zatrzymuje się spadek temperatury.
Na wysokościach od ok. 60 km i wyżej pod wpływem promieni słonecznych i kosmicznych w atmosferze zachodzi jonizacja powietrza: część atomów rozpada się na swobodne elektrony oraz jony... W górnych warstwach atmosfery jonizacja jest znikoma, ponieważ gaz jest bardzo rozrzedzony (jest niewielka liczba cząsteczek na jednostkę objętości). Gdy promienie słoneczne wnikają w gęstsze warstwy atmosfery, wzrasta stopień jonizacji. Wraz ze zbliżaniem się do Ziemi energia promieni słonecznych maleje, a stopień jonizacji ponownie spada. Ponadto w niższych warstwach atmosfery, ze względu na dużą gęstość, ładunki ujemne nie mogą istnieć przez długi czas; istnieje proces przywracania obojętnych cząsteczek.
Jonizacja w rozrzedzonej atmosferze na wysokości 60-80 km od Ziemi i wyżej utrzymuje się przez długi czas. Na tych wysokościach atmosfera jest bardzo rozrzedzona, gęstość wolnych elektronów i jonów jest tak niska, że zderzenia, a co za tym idzie przywracanie neutralnych atomów, są stosunkowo rzadkie.
Górna atmosfera nazywana jest jonosferą. Zjonizowane powietrze ma znaczący wpływ na propagację fal radiowych.
W ciągu dnia tworzą się cztery regularne warstwy lub maksima jonizacji - warstwy D, mi, F 1 i F 2. Warstwa F 2 ma najwyższą jonizację (największą liczbę wolnych elektronów na jednostkę objętości).
Po zachodzie słońca promieniowanie jonizujące gwałtownie spada. Następuje przywrócenie obojętnych cząsteczek i atomów, co prowadzi do zmniejszenia stopnia jonizacji. Warstwy znikają całkowicie w nocy D oraz F 2, jonizacja warstwy mi zmniejsza się znacznie, a warstwa F 2 zachowuje jonizację z pewnym tłumieniem.
Ryż. 2.4 Zależność propagacji fal radiowych od częstotliwości i pory dnia.
Wysokość warstw jonosfery zmienia się cały czas w zależności od natężenia promieni słonecznych. W ciągu dnia wysokość zjonizowanych warstw jest niższa, w nocy jest wyższa. Latem na naszych szerokościach geograficznych koncentracja elektronów warstw zjonizowanych jest wyższa niż zimą (z wyjątkiem warstwy F 2). Stopień jonizacji zależy również od poziomu aktywności słonecznej, determinowanej liczbą plam na słońcu. Okres aktywności słonecznej wynosi około 11 lat.
Na szerokościach polarnych obserwuje się nieregularne procesy jonizacji związane z tzw. zaburzeniami jonosferycznymi.
Fala radiowa dociera do anteny odbiorczej na kilka sposobów. Jak już wspomniano, fale radiowe rozchodzące się nad powierzchnią ziemi i otaczające ją w wyniku zjawiska dyfrakcji nazywane są falami powierzchniowymi lub ziemskimi (kierunek 1, ryc. 2.5). Fale rozchodzące się w kierunkach 2 i 3 to przestrzenny... Dzielą się na jonosferyczne i troposferyczne. Te ostatnie obserwuje się tylko w zakresie VHF. jonosferyczny fale są nazywane, odbijane lub rozpraszane przez jonosferę, troposferyczny- fale odbite lub rozproszone przez niejednorodne warstwy lub „ziarna” troposfery.
Ryż. 2.5 Sposoby propagacji fal radiowych.
Fala powierzchniowa podstawa jego przodu dotyka Ziemi, jak pokazano na ryc. 2.6. W przypadku źródła punktowego fala ta ma zawsze polaryzację pionową, ponieważ składowa pozioma fali jest pochłaniana przez Ziemię. Przy wystarczającej odległości od źródła, wyrażonej w długościach fal, każdy segment czoła fali jest falą płaską.
Powierzchnia Ziemi pochłania część energii rozchodzących się wzdłuż niej fal powierzchniowych, ponieważ Ziemia ma aktywny opór.
Ryż. 2.6 Propagacja fal powierzchniowych.
Im krótsza fala, czyli im wyższa częstotliwość, tym więcej prądu indukuje się w Ziemi i tym większe straty. Straty w Ziemi zmniejszają się wraz ze wzrostem przewodności gruntu, ponieważ fale wnikają w ziemię im mniej, tym wyższa przewodność gruntu. Straty dielektryczne występują również w Ziemi, które również zwiększają się wraz ze skróceniem fali.
W przypadku częstotliwości powyżej 1 MHz fala powierzchniowa jest w rzeczywistości silnie tłumiona z powodu absorpcji przez Ziemię i dlatego nie jest używana z wyjątkiem lokalnego obszaru pokrycia. Na częstotliwościach telewizyjnych tłumienie jest tak duże, że fala powierzchniowa może być wykorzystywana w odległości nie większej niż 1-2 km od nadajnika.
Komunikacja na duże odległości odbywa się głównie za pomocą fal kosmicznych.
Aby otrzymać załamanie, czyli powrót fali na Ziemię, fala musi być wyemitowana pod pewnym kątem w stosunku do powierzchni Ziemi. Największy kąt promieniowania, pod jakim fala radiowa o danej częstotliwości powraca do ziemi, nazywa się kąt krytyczny dla danej warstwy zjonizowanej (ryc. 2.7). 
Ryż. 2.7 Wpływ kąta promieniowania na przechodzenie fali nieba.
Każda zjonizowana warstwa ma swoją własną częstotliwość krytyczna oraz kąt krytyczny.
Na ryc. 2.7 pokazuje promień, który jest łatwo załamywany przez warstwę mi ponieważ promień wchodzi pod kątem poniżej krytycznego kąta tej warstwy. Wiązka 3 przechodzi przez obszar mi ale wraca na Ziemię w warstwie F 2, ponieważ wchodzi pod kątem poniżej krytycznego kąta warstwy F 2. Belka 4 również przechodzi przez warstwę mi... Wchodzi w warstwę F 2 pod krytycznym kątem i wraca na Ziemię. Wiązka 5 przechodzi przez oba obszary i gubi się w przestrzeni.
Wszystkie promienie pokazane na ryc. 2.7 odnoszą się do jednej częstotliwości. Jeśli używana jest niższa częstotliwość, dla obu regionów wymagane są większe kąty krytyczne; odwrotnie, jeśli częstotliwość wzrasta, oba regiony mają mniejsze kąty krytyczne. Jeśli będziesz dalej zwiększać częstotliwość, to nadejdzie moment, w którym fala rozchodząca się z nadajnika równoległego do Ziemi przekroczy kąt krytyczny dla dowolnego regionu. Ten stan występuje przy częstotliwości około 30 MHz. Powyżej tej częstotliwości komunikacja skywave staje się zawodna.
Tak więc każda częstotliwość krytyczna ma swój własny kąt krytyczny i odwrotnie, każdy kąt krytyczny ma swoją własną częstotliwość krytyczną. W konsekwencji każda fala nieba, której częstotliwość jest równa lub niższa od krytycznej, powróci na Ziemię w pewnej odległości od nadajnika.
Na ryc. 2,7 promień 2 pada na warstwę E pod krytycznym kątem. Zwróć uwagę, gdzie odbita fala uderza w Ziemię (po przekroczeniu krytycznego kąta sygnał jest tracony); Fala kosmiczna po dotarciu do warstwy zjonizowanej zostaje od niej odbita i powraca na Ziemię w dużej odległości od nadajnika. W pewnej odległości od nadajnika, w zależności od mocy nadajnika i długości fali, możliwe jest odebranie fali powierzchniowej. Z miejsca, w którym kończy się odbiór fali powierzchniowej, strefa ciszy i kończy się tam, gdzie pojawia się odbita fala przestrzenna. Strefa ciszy nie ma ostrej granicy.
Ryż. 2.8 Obszary odbioru fal powierzchniowych i przestrzennych.
Wraz ze wzrostem częstotliwości ilość Martwa strefa wzrasta ze względu na zmniejszenie kąta krytycznego. Aby komunikować się z korespondentem w pewnej odległości od nadajnika o określonych porach dnia i porach roku, istnieje maksymalna dopuszczalna częstotliwość które mogą być używane do komunikacji skywave. Każdy region jonosferyczny ma swoją własną maksymalną dopuszczalną częstotliwość komunikacji.
Krótkie, a ponadto ultrakrótkie fale w jonosferze tracą znikomą część swojej energii. Im wyższa częstotliwość, tym krótszą drogę pokonują elektrony podczas swoich oscylacji, w wyniku czego zmniejsza się liczba ich zderzeń z cząsteczkami, czyli zmniejszają się straty energii fali.
W niższych warstwach zjonizowanych straty są większe, ponieważ zwiększone ciśnienie wskazuje na większą gęstość gazu, a przy większej gęstości gazu wzrasta prawdopodobieństwo zderzenia cząstek.
Fale długie odbijają się od niższych warstw jonosfery, które mają najmniejszą koncentrację elektronów, pod dowolnymi kątami elewacji, w tym bliskimi 90°. Gleba o średniej wilgotności jest prawie przewodnikiem dla długich fal, dzięki czemu dobrze odbijają się od Ziemi. Wielokrotne odbicia od jonosfery i Ziemi wyjaśniają propagację długich fal na dalekie odległości.
Propagacja fal długich nie zależy od pory roku i warunków meteorologicznych, okresu aktywności słonecznej i zaburzeń jonosferycznych. Odbite od jonosfery długie fale ulegają dużej absorpcji. Dlatego nadajniki o dużej mocy są niezbędne do komunikacji na duże odległości.
Fale średnie są wyraźnie absorbowane w jonosferze i glebie o słabej i średniej przewodności. W ciągu dnia obserwuje się tylko falę powierzchniową, ponieważ fala kosmiczna (dłuższa niż 300 m) jest prawie całkowicie pochłaniana w jonosferze. Aby uzyskać pełne odbicie wewnętrzne, średnie fale muszą przebyć określoną ścieżkę w dolnych warstwach jonosfery, które choć mają niską koncentrację elektronów, mają znaczną gęstość powietrza.
W nocy, wraz z zanikiem warstwy D, zmniejsza się absorpcja w jonosferze, dzięki czemu możliwe jest utrzymanie komunikacji na falach kosmicznych na odległości 1500-2000 km z mocą nadajnika około 1 kW. Warunki komunikacyjne są nieco lepsze zimą niż latem.
Cnota fal średnich jest to, że nie mają na nie wpływu zaburzenia jonosferyczne.
Zgodnie z umową międzynarodową, sygnały o niebezpieczeństwie (sygnały SOS) nadawane są na falach około 600 m.
Pozytywną stroną komunikacji skywave na falach krótkich i średnich jest możliwość komunikacji na duże odległości przy małej mocy nadajnika. Ale link do fali kosmicznej ma i znaczące wady.
Najpierw, niestabilność komunikacji spowodowana zmianami wysokości zjonizowanych warstw atmosfery w ciągu dnia i roku. Aby utrzymać komunikację z tym samym punktem, musisz zmieniać długość fali 2-3 razy dziennie. Często ze względu na zmianę stanu atmosfery komunikacja zostaje na pewien czas całkowicie zakłócona.
Po drugie, obecność strefy ciszy.
Fale krótsze niż 25 m są określane jako „fale dzienne”, ponieważ dobrze przemieszczają się w ciągu dnia. "Fale nocne" to fale dłuższe niż 40 m. Fale te dobrze się rozchodzą w nocy.
Warunki propagacji krótkich fal radiowych określa stan warstwy zjonizowanej Fg. Koncentracja elektronów w tej warstwie jest często zaburzona przez nierównomierne promieniowanie słoneczne, które powoduje zaburzenia jonosferyczne i burze magnetyczne. W efekcie energia krótkich fal radiowych jest w znacznym stopniu pochłaniana, co degraduje komunikację radiową, a nawet czasami całkowicie ją uniemożliwia. Zaburzenia jonosferyczne są szczególnie często obserwowane na szerokościach geograficznych zbliżonych do biegunów. Dlatego komunikacja krótkofalowa jest tam zawodna.
Najbardziej godne uwagi zaburzenia jonosferyczne mają swoją cykliczność: powtarzają się po 27 dni(czas obrotu Słońca wokół własnej osi).
W zakresie fal krótkich wpływ zakłóceń przemysłowych, atmosferycznych i wzajemnych jest silny.
Optymalne częstotliwości komunikacji na krótkich falach są wybierane na podstawie prognoz radiowych, które dzielą się na: długoterminowy oraz krótkoterminowy... Prognozy długoterminowe wskazują oczekiwany średni stan jonosfery dla określonego okresu czasu (miesiąc, pora roku, rok lub więcej), natomiast prognozy krótkoterminowe sporządzane są na dzień, pięć dni i charakteryzują ewentualne odchylenia jonosfery od jej przeciętny stan. Prognozy sporządzane są w formie wykresów w wyniku przetwarzania systematycznych obserwacji jonosfery, aktywności słonecznej oraz stanu magnetyzmu ziemskiego.
Fale ultrakrótkie(VHF) nie odbijają się od jonosfery, przechodzą przez nią swobodnie, tzn. fale te nie mają przestrzennej fali jonosferycznej. Ultrakrótka fala powierzchniowa, na której możliwa jest komunikacja radiowa, ma dwie istotne wady: po pierwsze fala powierzchniowa nie opływa powierzchni ziemi i dużych przeszkód, a po drugie jest silnie pochłaniana przez glebę.
Fale ultrakrótkie są szeroko stosowane tam, gdzie wymagany jest krótki zasięg stacji radiowej (komunikacja jest zwykle ograniczona do linii widzenia). W tym przypadku komunikacja odbywa się za pomocą przestrzennej fali troposferycznej. Zwykle składa się z dwóch elementów: promienia bezpośredniego i promienia odbitego od Ziemi (ryc. 2.9).
Ryż. 2.9 Bezpośrednie i odbite promienie fali nieba.
Jeśli anteny są wystarczająco blisko, obie wiązki zwykle docierają do anteny odbiorczej, ale ich intensywność jest różna. Wiązka odbita od Ziemi jest słabsza ze względu na straty powstające podczas odbicia od Ziemi. Wiązka bezpośrednia ma prawie takie samo tłumienie jak fala w wolnej przestrzeni. W antenie odbiorczej całkowity sygnał jest równy sumie wektorowej tych dwóch składników.
Anteny odbiorcze i nadawcze są zwykle na tej samej wysokości, więc długość drogi odbitej wiązki różni się nieco od wiązki bezpośredniej. Odbita fala jest przesunięta w fazie o 180 °. Zatem pomijając straty w Ziemi podczas odbicia, jeśli dwie wiązki przebyły tę samą odległość, ich suma wektorów wynosi zero, w wyniku czego w antenie odbiorczej nie będzie sygnału.
W rzeczywistości odbita wiązka pokonuje nieco większą odległość, dlatego różnica faz w antenie odbiorczej wyniesie około 180 °. Różnica faz jest określana przez różnicę ścieżek pod względem długości fali, a nie w jednostkach liniowych. Innymi słowy, całkowity sygnał odbierany w tych warunkach zależy głównie od używanej częstotliwości. Na przykład, jeśli długość fali roboczej wynosi 360 m, a różnica ścieżek wynosi 2 m, przesunięcie fazowe będzie się różnić od 180 ° tylko o 2°. W rezultacie w antenie odbiorczej prawie całkowity brak sygnału. Jeśli długość fali wynosi 4 m, ta sama 2 m różnica ścieżki spowoduje różnicę faz o 180°, w pełni kompensując przesunięcie fazowe w odbiciu o 180°. W takim przypadku sygnał jest podwojony w napięciu.
Wynika z tego, że przy niskich częstotliwościach wykorzystanie fal kosmicznych nie jest interesujące dla komunikacji. Tylko przy wysokich częstotliwościach, gdzie różnica ścieżek jest współmierna do użytej długości fali, fala podniebna jest szeroko stosowana.
Zasięg nadajników VHF znacznie się zwiększa, gdy samoloty komunikują się w powietrzu iz Ziemią.
DO zalety VHF powinna uwzględniać możliwość zastosowania małych anten. Ponadto duża liczba stacji radiowych może działać jednocześnie w paśmie VHF bez wzajemnych zakłóceń. W zakresie długości fal od 10 do 1 m można wdrożyć więcej stacji jednocześnie niż w przypadku fal krótkich, średnich i długich łącznie.
Linie przekaźnikowe VHF stały się powszechne. Pomiędzy dwoma punktami komunikacyjnymi znajdującymi się w dużej odległości zainstalowanych jest kilka transceiverów VHF, znajdujących się w zasięgu wzroku od siebie. Stacje pośrednie działają automatycznie. Organizacja linii przekaźnikowych pozwala na zwiększenie zasięgu komunikacji na UKF oraz na realizację komunikacji wielokanałowej (prowadzenie kilku transmisji telefonicznych i telegraficznych jednocześnie).
Obecnie wiele uwagi poświęca się wykorzystaniu pasma VHF do dalekosiężnej komunikacji radiowej.
Najczęściej wykorzystywane linie komunikacyjne pracujące w zakresie 20-80 MHz i wykorzystujące zjawiska rozpraszania jonosferycznego. Uważano, że komunikacja radiowa przez jonosferę jest możliwa tylko na częstotliwościach poniżej 30 MHz (długość fali powyżej 10 m), a ponieważ zakres ten jest w pełni obciążony i dalszy wzrost liczby kanałów w nim nie jest możliwy, zainteresowanie propagacją rozproszoną fal radiowych jest zrozumiałe.
Zjawisko to polega na tym, że część energii promieniowania ultrawysokiej częstotliwości jest rozpraszana przez nieregularności w jonosferze. Te niejednorodności są tworzone przez prądy powietrzne warstw o różnej temperaturze i wilgotności, wędrujące naładowane cząstki, produkty jonizacji ogonów meteorytów i inne wciąż słabo zbadane źródła. Ponieważ troposfera jest zawsze niejednorodna, systematycznie zachodzi rozproszone załamanie fal radiowych.
Rozproszona propagacja fal radiowych jest podobna do rozpraszania światła z reflektora w ciemną noc. Im silniejsza wiązka światła, tym bardziej emituje rozproszone światło.
Podczas nauki odległe rozprzestrzenianie się fal ultrakrótkich zauważono zjawisko gwałtownego krótkotrwałego wzrostu słyszalności sygnałów. Takie losowe wybuchy trwają od kilku milisekund do kilku sekund. Jednak w praktyce obserwuje się je w ciągu dnia z przerwami rzadko przekraczającymi kilka sekund. Pojawienie się momentów zwiększonej słyszalności wynika głównie z odbicia fal radiowych od zjonizowanych warstw meteorytów płonących na wysokości około 100 km. Średnica tych meteorytów nie przekracza kilku milimetrów, a ich ślady rozciągają się na kilka kilometrów.
Z ślady meteorytów fale radiowe o częstotliwości 50-30 MHz (6-10 m) są dobrze odbijane.
Kilka miliardów takich meteorytów wlatuje każdego dnia w ziemską atmosferę, pozostawiając po sobie zjonizowane ślady o dużej gęstości jonizacji powietrza. Pozwala to na uzyskanie niezawodnej pracy dalekosiężnych łączy radiowych przy zastosowaniu nadajników o stosunkowo małej mocy. Integralną częścią stacji na takich liniach jest pomocniczy sprzęt do druku bezpośredniego wyposażony w element pamięci.
Ponieważ każdy ślad meteorytu istnieje tylko przez kilka sekund, transmisja odbywa się automatycznie w krótkich seriach.
Obecnie szeroko stosowane są transmisje komunikacyjne i telewizyjne za pośrednictwem sztucznych satelitów naziemnych.
Tak więc, zgodnie z mechanizmem propagacji fal radiowych, linie radiokomunikacyjne można podzielić na linie za pomocą:
proces propagacji fal radiowych wzdłuż powierzchni ziemi z zaginaniem się wokół niej (tzw ziemski lub fale powierzchniowe);
proces propagacji fal radiowych w zasięgu wzroku ( prosty fale);
odbicie fal radiowych od jonosfery ( jonosferyczny fale);
proces propagacji fal radiowych w troposferze ( troposferyczny fale);
odbicie fal radiowych od śladów meteorów;
odbicie lub retransmisja ze sztucznych satelitów naziemnych;
odbicie od sztucznie wytworzonych formacji plazmy gazowej lub sztucznie wytworzonych powierzchni przewodzących.
2.4 Cechy propagacji fal radiowych różnych pasm
Na warunki propagacji fal radiowych w przestrzeni między nadajnikiem a odbiornikiem radiowym korespondentów mają wpływ skończone przewodnictwo powierzchni ziemi oraz właściwości ośrodka nad ziemią. Ten efekt jest różny dla różnych długości fal (częstotliwości).
Myriameter oraz kilometr fale (ADV oraz DV) może rozmnażać się zarówno naziemnie, jak i jonosferycznie. Obecność fali ziemskiej, rozchodzącej się przez setki, a nawet tysiące kilometrów, tłumaczy się tym, że natężenie pola tych fal maleje raczej powoli wraz z odległością, ponieważ pochłanianie ich energii przez ziemię lub powierzchnię wody jest niewielkie. Im dłuższa fala i im lepsza przewodność gleby, tym dłuższa jest komunikacja radiowa.
Piaszczystosuche gleby i skały w dużym stopniu pochłaniają energię elektromagnetyczną. Rozprzestrzeniając się na skutek zjawiska dyfrakcji, wyginają się wokół wypukłej powierzchni ziemi, napotykając na drodze przeszkody: lasy, góry, pagórki itp. Począwszy od odległości 300-400 km od nadajnika pojawia się fala jonosferyczna odbita od dolnego obszaru jonosfery (od warstwy D lub E). W ciągu dnia, ze względu na obecność warstwy D, absorpcja energii elektromagnetycznej nabiera większego znaczenia. W nocy, wraz z zanikiem tej warstwy, zwiększa się zasięg komunikacji. Tak więc przechodzenie długich fal w nocy jest generalnie lepsze niż w ciągu dnia. Globalna komunikacja w VLF i LW odbywa się za pomocą fal rozchodzących się w sferycznym falowodzie utworzonym przez jonosferę i powierzchnię Ziemi.
Zaleta pasma SDV-, DV-:
Fale radiowe VLF i LW mają właściwość przenikania do słupa wody, a także propagacji w niektórych strukturach glebowych;
dzięki falom rozchodzącym się w sferycznym falowodzie Ziemi komunikacja odbywa się na tysiące kilometrów;
zasięg komunikacji w niewielkim stopniu zależy od zaburzeń jonosferycznych;
dobre właściwości dyfrakcyjne fal radiowych w tych zakresach umożliwiają komunikację na setki, a nawet tysiące kilometrów za pomocą fali ziemskiej;
Stałość parametrów łącza radiowego zapewnia stabilny poziom sygnału w punkcie odbiorczym.
niedogodnościSDV-, DV, - zakresy:
efektywne promieniowanie fal rozważanych części zasięgu można osiągnąć tylko za pomocą bardzo nieporęcznych urządzeń antenowych, których wymiary są współmierne do długości fali. Budowa i renowacja urządzeń antenowych tej wielkości w ograniczonym czasie (dla celów wojskowych) jest trudna;
ponieważ wymiary faktycznie wyprodukowanych anten są mniejsze niż długość fali, kompensację ich zmniejszonej wydajności osiąga się poprzez zwiększenie mocy nadajników do setek lub więcej kW;
tworzenie układów rezonansowych w tym zakresie i przy znacznych mocach determinuje duże rozmiary stopni wyjściowych: nadajniki, złożoność szybkiego dostrojenia do innej częstotliwości;
do zasilania stacji radiowych w pasmach VLF i DV wymagane są duże elektrownie;
istotną wadą zakresów VLF i LW jest ich pojemność dla niskich częstotliwości;
wystarczająco wysoki poziom zakłóceń przemysłowych i atmosferycznych;
zależność poziomu sygnału w punkcie odbioru od pory dnia.
Zakres praktycznego zastosowania fal radiowych w paśmie VLF, DV:
komunikacja z obiektami podwodnymi;
globalna komunikacja szkieletowa i podziemna;
radiolatarnie, a także łączność w lotnictwie dalekiego zasięgu i marynarce wojennej.
Fale hektometrów(SV) mogą być propagowane przez fale powierzchniowe i kosmiczne. Co więcej, zasięg komunikacji z falą powierzchniową jest krótszy (nie przekracza 1000-1500 km), ponieważ ich energia jest bardziej absorbowana przez glebę niż fale długie. Fale docierające do jonosfery są intensywnie pochłaniane przez warstwę D gdy istnieje, ale jest dobrze rozładowywany w warstwie MI.
Dla fal średnich zasięg komunikacji jest bardzo zależny z pora dnia. W ciągu dnia fale środkowe są tak silne zaabsorbowany w niższych warstwach jonosfery, że fala nieba jest praktycznie nieobecna. Warstwa nocna D i spód warstwy mi znikają, więc zmniejsza się absorpcja fal średnich; a fale kosmiczne zaczynają odgrywać główną rolę. Tak więc ważną cechą fal średnich jest to, że w ciągu dnia komunikację na nich utrzymuje fala powierzchniowa, a nocą - jednocześnie fale powierzchniowe i kosmiczne.
Zalety opaski CB:
nocą latem i przez większość dnia zimą zasięg komunikacji zapewniany przez falę jonosferyczną sięga tysięcy kilometrów;
urządzenia antenowe średniofalowe są dość skuteczne i mają akceptowalne wymiary nawet dla mobilnej komunikacji radiowej;
pojemność częstotliwościowa tego zakresu jest większa niż zakresów VLF i LW;
dobre właściwości dyfrakcyjne fal radiowych w tym zakresie;
moc nadajników jest mniejsza niż w pasmach VLF i LW;
mała zależność od zaburzeń jonosferycznych i burz magnetycznych.
Wady serii CB:
przeciążenie pasma MW przez potężne stacje radiowe stwarza trudności w powszechnym użyciu;
ograniczona pojemność zakresu częstotliwości utrudnia manewrowanie częstotliwościami;
zasięg komunikacji na NE w porze dziennej w lecie jest zawsze ograniczony, ponieważ jest to możliwe tylko przez falę ziemi;
wystarczająco wysokie moce nadajników;
trudność stosowania wysokowydajnych urządzeń antenowych, złożoność budowy i renowacji w krótkim czasie;
wystarczająco wysoki poziom wzajemnych i atmosferycznych zakłóceń.
Obszar praktycznego zastosowania fal radiowych w paśmie CB; Radiostacje średniofalowe są najczęściej wykorzystywane w rejonach Arktyki, jako wsparcie w przypadku utraty szeroko stosowanej łączności radiowej na falach krótkich z powodu zaburzeń jonosferycznych i magnetycznych, a także w lotnictwie dalekiego zasięgu i marynarce wojennej.
Fale dekametrowe (KB) zajmują szczególną pozycję. Mogą propagować zarówno fale ziemskie, jak i jonosferyczne. Przy stosunkowo niskich mocach nadajników typowych dla radiostacji mobilnych, fale przyziemne rozchodzą się na odległości nie przekraczające kilkudziesięciu kilometrów, ponieważ ulegają znacznej absorpcji w gruncie, która wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości.
Fale jonosferyczne, spowodowane pojedynczymi lub wielokrotnymi odbiciami od jonosfery, w sprzyjających warunkach mogą rozchodzić się na duże odległości. Ich główną właściwością jest to, że są słabo absorbowane przez dolne obszary jonosfery (warstwy D oraz mi) i są dobrze odzwierciedlone przez jego górne obszary (głównie przez warstwę F2 ... położony na wysokości 300-500 km nad ziemią). Umożliwia to wykorzystanie stacji radiowych o stosunkowo małej mocy do bezpośredniej komunikacji na nieskończenie szeroki zakres odległości.
Znaczny spadek jakości komunikacji radiowej HF przez fale jonosferyczne następuje z powodu zaniku sygnału. Charakter zanikania sprowadza się głównie do interferencji kilku promieni docierających do miejsca odbioru, których faza ulega ciągłym zmianom w wyniku zmiany stanu jonosfery.
Przyczynami nadejścia kilku wiązek w miejscu odbioru sygnałów mogą być:
napromieniowanie jonosfery pod kątami, pod jakimi przechodzą promienie
różna liczba odbić z jonosfery i Ziemi zbiega się w punkcie odbioru;
zjawisko dwójłomności pod wpływem ziemskiego pola magnetycznego, dzięki któremu dwie wiązki (zwykła i nadzwyczajna), odbijające się od różnych warstw jonosfery, docierają do tego samego punktu odbioru;
niejednorodność jonosfery, prowadząca do rozproszonego odbicia fal z różnych jej obszarów, tj. do odbicia wiązek wielu promieni elementarnych.
Zanikanie może również wystąpić z powodu fluktuacji polaryzacji fal odbitych od jonosfery, co prowadzi do zmiany stosunku składowych pionowej i poziomej pola elektrycznego w punkcie odbioru. Zanikanie polaryzacji obserwuje się znacznie rzadziej niż zanikanie zakłóceń i stanowi 10-15% ich całkowitej liczby.
W wyniku zaniku poziom sygnału w punktach odbioru może się zmieniać w szerokim zakresie – dziesiątki, a nawet setki razy. Odstęp czasu między głębokim zanikaniem jest wartością losową i może wahać się od dziesiątych części sekundy do kilku sekund, a czasem więcej, a przejście od wysokiego do niskiego poziomu może być płynne lub bardzo gwałtowne. Szybkie zmiany poziomów często nakładają się na powolne.
Warunki przejścia fal krótkich przez jonosferę zmieniają się z roku na rok, co wiąże się z niemal okresową zmianą aktywności słonecznej, tj. ze zmianą liczby i powierzchni plam słonecznych (liczba wilka), które są źródłem promieniowania jonizującego atmosferę. Okres nawrotu maksymalnej aktywności słonecznej wynosi 11,3 ± 4 lata. W latach maksymalnej aktywności słonecznej wzrastają maksymalne częstotliwości użytkowe (MUF) i rozszerzają się obszary zakresów częstotliwości pracy.
Na ryc. 2.10 przedstawia typową rodzinę wykresów dobowego MUF i najmniej użytecznej częstotliwości (LUF) dla wypromieniowanej mocy 1 kW.
Ryż. 2.10 Przebieg krzywych MUF i NUF.
Ta rodzina wykresów dziennych odpowiada określonym obszarom geograficznym. Wynika z tego, że zakres częstotliwości mający zastosowanie do komunikacji na określoną odległość może być bardzo mały. Należy pamiętać, że prognozy jonosferyczne mogą zawierać błąd, dlatego przy wyborze maksymalnych częstotliwości komunikacyjnych starają się nie przekraczać linii tzw. optymalnej częstotliwości roboczej (OPF), przechodzącej poniżej linii MUF o 20- 30%. Nie trzeba dodawać, że szerokość robocza gamy jest z tego jeszcze zmniejszona. Spadek poziomu sygnału przy zbliżaniu się do maksymalnej użytecznej częstotliwości tłumaczy się zmiennością parametrów jonosfery.
Ze względu na to, że zmienia się stan jonosfery, komunikacja za pomocą fali jonosferycznej wymaga prawidłowego doboru częstotliwości w ciągu dnia:
DZIEŃ na częstotliwościach 12-30 MHz,
RANO i WIECZÓR 8-12 MHz, NOC 3-8 MHz.
Z wykresów widać też, że wraz ze zmniejszaniem się długości linii radiokomunikacyjnej zmniejsza się przekrój odpowiednich częstotliwości (dla odległości do 500 km w nocy może to być tylko 1-2 MHz).
Warunki komunikacji radiowej dla długich linii są korzystniejsze niż dla krótkich, ponieważ jest ich mniej, a zakres odpowiednich dla nich częstotliwości jest znacznie szerszy.
Burze jonosferyczne i magnetyczne mogą mieć istotny wpływ na stan komunikacji radiowej HF (szczególnie w rejonach polarnych), tj. zaburzenia jonosfery i pola magnetycznego Ziemi pod wpływem naładowanych strumieni cząstek wyrzucanych przez Słońce. Strumienie te często niszczą główną odbijającą warstwę jonosfery F2 w rejonie dużych szerokości geomagnetycznych. Burze magnetyczne mogą objawiać się nie tylko w regionach polarnych, ale na całym globie. Zaburzenia jonosferyczne mają okresowość i są związane z czasem obrotu Słońca wokół własnej osi, który wynosi 27 dni.
Fale krótkie charakteryzują się obecnością stref ciszy (martwych stref). Strefa ciszy (rys. 2.8) występuje podczas komunikacji radiowej na duże odległości w obszarach, do których fala powierzchniowa nie dociera ze względu na swoje tłumienie, a fala kosmiczna odbija się od jonosfery na większą odległość. Dzieje się tak podczas korzystania z anten o wąskim wiązce podczas promieniowania pod małymi kątami do horyzontu.
Zalety pasma HF:
Fale jonosferyczne mogą przemieszczać się na duże odległości dzięki pojedynczym lub wielokrotnym odbiciom od jonosfery w sprzyjających warunkach. Są słabo absorbowane przez dolne obszary jonosfery (warstwy D i E) i są dobrze odbijane przez górne (głównie przez warstwę F2);
możliwość wykorzystania stacji radiowych o stosunkowo małej mocy do bezpośredniej komunikacji na nieskończenie szeroki zakres odległości;
pojemność częstotliwości pasma HF jest znacznie większa niż pasm VLF, DV i MW, co umożliwia jednoczesną obsługę dużej liczby stacji radiowych;
Urządzenia antenowe stosowane w zakresie fal dekametrowych mają akceptowalne wymiary (nawet do instalacji na ruchomych obiektach) i mogą mieć wyraźne właściwości kierunkowe. Charakteryzują się krótkim czasem wdrożenia, są tanie i można je łatwo odzyskać w przypadku uszkodzenia.
Wady pasma HF:
komunikacja radiowa za pomocą fal jonosferycznych może być prowadzona, jeśli wykorzystywane częstotliwości są poniżej maksymalnych wartości (MUF) określonych dla każdej długości linii radiokomunikacyjnej przez stopień jonizacji warstw odbijających;
komunikacja jest możliwa tylko wtedy, gdy moc nadajników i wzmocnienia zastosowanych anten, przy jednoczesnym pochłanianiu energii w jonosferze, zapewnią niezbędną siłę pola elektromagnetycznego w punkcie odbioru. Warunek ten ogranicza dolną granicę użytecznych częstotliwości (LUF);
niewystarczająca pojemność częstotliwości do wykorzystania szerokopasmowych trybów pracy i manewrowania częstotliwością;
ogromna liczba jednocześnie działających stacji radiowych o dużym zasięgu komunikacyjnym powoduje duży poziom wzajemnych zakłóceń;
duży zasięg komunikacji ułatwia przeciwnikowi celowe ingerowanie;
obecność stref ciszy podczas zapewniania komunikacji na duże odległości;
znaczny spadek jakości komunikacji radiowej HF przez fale jonosferyczne na skutek zaniku sygnałów powstających w wyniku zmienności struktury odbijających warstw jonosfery, jej ciągłego zakłócenia i wielodrogowego rozchodzenia się fal.
Praktyczne zastosowanie fal radiowych HF
Stacje radiowe KB znajdują najszersze praktyczne zastosowanie do komunikacji ze zdalnymi abonentami.
Fale miernika (VHF) obejmują szereg odcinków zakresu częstotliwości, które mają ogromną pojemność częstotliwości.
Oczywiście obszary te znacznie różnią się od siebie właściwościami propagacji fal radiowych. Energia VHF jest silnie pochłaniana przez Ziemię (w ogólnym przypadku proporcjonalnie do kwadratu częstotliwości), więc fala Ziemi zanika dość szybko. Dla VHF regularne odbicie od jonosfery jest niezwykłe, dlatego komunikacja jest obliczana na podstawie użycia fali ziemskiej i fali rozchodzącej się w wolnej przestrzeni. Fale kosmiczne krótsze niż 6-7 m (43-50 MHz) z reguły przechodzą przez jonosferę bez odbicia od niej.
Propagacja VHF odbywa się w linii prostej, maksymalny zasięg ograniczony jest zasięgiem w linii widzenia. Można to określić wzorem:
gdzie Dmax jest zasięgiem w linii wzroku, km;
h1 to wysokość anteny nadawczej, m;
h2 - wysokość anteny odbiorczej, m.
Jednak z powodu załamania (załamania) propagacja fal radiowych jest zakrzywiona. W tym przypadku we wzorze przedziałowym współczynnik nie będzie wynosił 3,57, ale 4,1-4,5. Z tego wzoru wynika, że aby zwiększyć zasięg komunikacji VHF, konieczne jest podniesienie wyżej anteny nadajnika i odbiornika.
Wzrost mocy nadajnika nie prowadzi do proporcjonalnego zwiększenia zasięgu komunikacji, dlatego w tym zakresie wykorzystywane są radiostacje małej mocy. Komunikacja w rozproszeniu troposferycznym i jonosferycznym wymaga znaczących nadajników.
Na pierwszy rzut oka zasięg komunikacji naziemnej VHF na falach naziemnych powinien być bardzo krótki. Należy jednak pamiętać, że wraz ze wzrostem częstotliwości wzrasta sprawność urządzeń antenowych, dzięki czemu kompensowane są straty energii w Ziemi.
Zasięg komunikacji przez fale naziemne zależy od długości fali. Najdłuższy zasięg osiągany jest na falach metrowych, zwłaszcza na falach sąsiadujących z pasmem HF.
Fale metrowe mają tę właściwość dyfrakcja, tj. nieruchomość do wyginania się wokół nierówności terenu. Zwiększeniu zasięgu komunikacji na falach metrowych sprzyja zjawisko troposfery refrakcja, tj. zjawisko załamania w troposferze, które zapewnia komunikację na zamkniętych trasach.
W zakresie fal metrowych często obserwuje się propagację fal radiowych na duże odległości, co wynika z wielu powodów. Propagacja na dalekie odległości może wystąpić wraz z powstawaniem sporadycznych chmur zjonizowanych ( warstwa sporadyczna Fs). Wiadomo, że warstwa ta może pojawić się o każdej porze roku czy dnia, ale dla naszej półkuli - głównie późną wiosną i wczesnym latem w ciągu dnia. Cechą tych chmur jest bardzo wysokie stężenie jonów, czasami wystarczające do odbicia fal z całego zakresu UKF. W tym przypadku obszar lokalizacji źródeł promieniowania względem punktów odbioru znajduje się najczęściej w odległości 2000-2500 km, a czasem bliżej. Natężenie sygnałów odbitych od warstwy Fs może być bardzo duże nawet przy bardzo niskich mocach źródła.
Innym powodem propagacji fal metrowych na duże odległości w latach maksymalnej aktywności słonecznej może być regularna warstwa F2. Propagacja ta objawia się w miesiącach zimowych w czasie oświetlonych punktów odbicia, tj. gdy absorpcja energii fal w dolnych obszarach jonosfery jest minimalna. W takim przypadku zasięg komunikacji może osiągnąć skalę globalną.
Propagacja fal metrowych na duże odległości może również wystąpić podczas wybuchów jądrowych na dużych wysokościach. W tym przypadku oprócz dolnego obszaru zwiększonej jonizacji pojawia się górny (na poziomie warstwy Fs). Fale metrowe penetrują dolny obszar, doświadczając pewnej absorpcji, odbijają się od górnych i wracają na Ziemię. Pokonywane w tym przypadku odległości mieszczą się w przedziale od 100 do 2500 km. Odbite natężenie pola tych fale zależą od częstotliwości: najniższe częstotliwości ulegają największej absorpcji w dolnym obszarze jonizacji, a najwyższe ulegają niepełnemu odbiciu od górnego obszaru.
Interfejs między falami KB i metra przechodzi na długości fali 10 m (30 MHz). Właściwości propagacyjne fal radiowych nie mogą się nagle zmienić, tj. musi istnieć region lub sekcja częstotliwości, która jest przejściowy... Taki odcinek zakresu częstotliwości to odcinek 20-30 MHz. W latach minimalnej aktywności słonecznej (a także w nocy, niezależnie od fazy aktywności) częstotliwości te praktycznie nie nadają się do komunikacji na duże odległości za pomocą fal jonosferycznych, a ich wykorzystanie okazuje się niezwykle ograniczone. Jednocześnie we wskazanych warunkach właściwości propagacji fal w tym obszarze stają się bardzo zbliżone do właściwości fal metrowych. To nie przypadek, że ten odcinek częstotliwości jest wykorzystywany w interesie komunikacji radiowej zorientowanej na fale metrowe.
Zalety pasma VHF:
małe wymiary anten umożliwiają realizację wyraźnego promieniowania kierunkowego, które kompensuje szybkie tłumienie energii fal radiowych;
warunki propagacji na ogół nie zależą od pory dnia i roku, a także aktywności słonecznej;
ograniczony zasięg komunikacji umożliwia wielokrotne korzystanie z tych samych częstotliwości na powierzchniach, których odległość między granicami jest nie mniejsza niż suma zasięgu stacji radiowych o tych samych częstotliwościach;
niższy poziom niezamierzonych (naturalnych i sztucznych) i celowych zakłóceń dzięki wąskim antenom kierunkowym i og ograniczony zasięg komunikacji;
duża pojemność częstotliwości, pozwalająca na wykorzystanie szerokopasmowych sygnałów przeciwzakłóceniowych dla dużej liczby jednocześnie pracujących stacji;
przy wykorzystaniu sygnałów szerokopasmowych do komunikacji radiowej niestabilność częstotliwości linii radiowej jest wystarczająca δf = 10 -4;
zdolność VHF do penetracji jonosfery bez znacznych strat energii umożliwiła prowadzenie kosmicznej komunikacji radiowej na odległości mierzone w milionach kilometrów;
wysokiej jakości kanał radiowy;
ze względu na bardzo małe straty energii w wolnej przestrzeni, zasięg łączności pomiędzy statkami powietrznymi wyposażonymi w radiostacje o stosunkowo małej mocy może sięgać kilkuset kilometrów;
właściwość propagacji fal metrowych na duże odległości;
mała moc nadajników i niewielka zależność zasięgu komunikacji od mocy.
Wady zakresu VHF:
krótki zasięg łączności radiowej z falą przyziemną, praktycznie ograniczony zasięgiem wzroku;
przy użyciu wąsko skierowanych anten trudno jest pracować z kilkoma korespondentami;
w przypadku korzystania z anten o kierunkowości kołowej zasięg komunikacji, ochrona przed inteligencją i odporność na zakłócenia są zmniejszone.
Obszar praktycznego zastosowania fal radiowych VHF-Dianazon Zasięg jest wykorzystywany jednocześnie przez dużą liczbę stacji radiowych, zwłaszcza że zasięg wzajemnych zakłóceń między nimi jest z reguły niewielki. Właściwości propagacji fal naziemnych zapewniają szerokie zastosowanie fal ultrakrótkich do komunikacji w taktycznym łączu kontrolnym, w tym między różnymi typami obiektów mobilnych. Komunikacja międzyplanetarna.
Biorąc pod uwagę zalety i wady każdego pasma, możemy stwierdzić, że najbardziej akceptowalnymi zakresami dla stacji radiowych o małej mocy są długości fal w dekametrach (KB) i metrach (VHF).
2.5 Wpływ wybuchów jądrowych na stan łączności radiowej
W wybuchach jądrowych natychmiastowe promieniowanie gamma, oddziałując z atomami otoczenia, wytwarza strumień szybkich elektronów lecących z dużą prędkością głównie w kierunku promieniowym od środka wybuchu oraz jonów dodatnich, które pozostają praktycznie na swoim miejscu. Tak więc w kosmosie od jakiegoś czasu następuje rozdzielenie ładunków dodatnich i ujemnych, co prowadzi do pojawienia się pól elektrycznych i magnetycznych. Ze względu na krótki czas trwania pola te są zwykle nazywane Puls elektromagnetyczny (AMY) wybuch jądrowy. Czas jego istnienia wynosi około 150-200 milisekund.
Puls elektromagnetyczny (piąty czynnik niszczący wybuchu jądrowego) w przypadku braku specjalnych środków ochronnych może uszkodzić urządzenia sterujące i komunikacyjne, zakłócić pracę urządzeń elektrycznych podłączonych do długich linii zewnętrznych.
Systemy komunikacji, sygnalizacji i sterowania są najbardziej podatne na działanie impulsu elektromagnetycznego z wybuchu jądrowego. W wyniku oddziaływania EMP naziemnego lub powietrznego wybuchu jądrowego na anteny radiostacji indukuje się w nich napięcie elektryczne, pod wpływem którego następuje awaria izolacji, transformatory, topienie przewodów, awaria ograniczników , uszkodzenia lamp elektronicznych, urządzeń półprzewodnikowych, kondensatorów, rezystancji itp. ...
Stwierdzono, że po doprowadzeniu do urządzenia EMP, na obwodach wejściowych indukuje się najwyższe napięcie, aw przypadku tranzystorów obserwuje się następującą zależność: im większe wzmocnienie tranzystora, tym mniejsza jego wytrzymałość dielektryczna.
Sprzęt radiowy ma stałą wytrzymałość dielektryczną na napięcie nie większą niż 2-4 kV. Biorąc pod uwagę, że impuls elektromagnetyczny wybuchu jądrowego jest krótkotrwały, ostateczną wytrzymałość elektryczną sprzętu bez wyposażenia ochronnego można uznać za wyższą - około 8-10 kV.
Tabela 1 przedstawia przybliżone odległości (w km), na których w czasie wybuchu jądrowego w antenach radiostacji indukowane są niebezpieczne napięcia dla urządzeń przekraczających 10 i 50 kV.
Tabela 1
Przy większych odległościach efekt PEM jest podobny do efektu niedalekiego wyładowania atmosferycznego i nie powoduje uszkodzenia sprzętu.
Wpływ impulsu elektromagnetycznego na sprzęt radiowy jest znacznie zmniejszony w przypadku zastosowania specjalnych środków ochronnych.
Najbardziej afektywny sposób ochrony Urządzenia radioelektroniczne znajdujące się w konstrukcjach to zastosowanie ekranów przewodzących prąd elektryczny (metalowych), które znacznie zmniejszają wielkość napięć indukowanych na wewnętrznych przewodach i kablach. Stosowane są urządzenia ochronne zbliżone do środków ochrony odgromowej: ograniczniki z cewkami drenażowymi i blokującymi, wkładki bezpiecznikowe, urządzenia odsprzęgające, obwody do automatycznego odłączania urządzeń od linii.
Dobry środek ochronny to także niezawodne uziemienie sprzętu w jednym punkcie. Wdrażanie urządzeń radiotechnicznych jest również skuteczne w bloku po bloku, z ochroną każdego bloku i całego urządzenia jako całości. Umożliwia to szybką wymianę uszkodzonej jednostki na zapasową (w najbardziej krytycznym sprzęcie jednostki są duplikowane z automatycznym przełączaniem w przypadku uszkodzenia głównych). W niektórych przypadkach do ochrony przed EMP można zastosować elementy selenowe i stabilizatory.
Dodatkowo może być aplikowany ochronne urządzenia wejściowe, które są różnymi przekaźnikami lub urządzeniami elektronicznymi, które reagują na przepięcie w obwodzie. Gdy nadchodzi impuls napięciowy, indukowany w linii impulsem elektromagnetycznym, wyłączają zasilanie urządzenia lub po prostu przerywają działające obwody.
Przy wyborze urządzeń ochronnych należy pamiętać, że oddziaływanie EMP charakteryzuje się masywnością, czyli równoczesną pracą urządzeń ochronnych we wszystkich obwodach uchwyconych w strefie wybuchu. Dlatego zastosowane schematy zabezpieczeń powinny automatycznie przywracać sprawność obwodów bezpośrednio po zakończeniu impulsu elektromagnetycznego.
Odporność urządzeń na naprężenia powstające w liniach podczas wybuchu jądrowego zależy w dużej mierze od prawidłowej pracy linii i starannego monitorowania przydatności urządzeń ochronnych.
DO ważne wymagania operacyjne obejmuje okresową i terminową kontrolę wytrzymałości elektrycznej izolacji linii i obwodów wejściowych sprzętu, terminową identyfikację i eliminację pojawiającego się uziemienia przewodu, monitorowanie sprawności ograniczników, wkładek bezpiecznikowych itp.
Wybuch jądrowy na dużej wysokości towarzyszy powstawanie obszarów o zwiększonej jonizacji. W wybuchach na wysokości do około 20 km obszar zjonizowany jest ograniczony najpierw wielkością obszaru świecącego, a następnie przez chmurę wybuchu. Na wysokościach 20-60 km wymiary obszaru zjonizowanego są nieco większe niż wymiary chmury wybuchu, zwłaszcza na górnej granicy tego zakresu wysokości.
W wybuchach jądrowych na dużych wysokościach w atmosferze pojawiają się dwa obszary zwiększonej jonizacji.
Pierwszy obszar powstaje w obszarze wybuchu w wyniku zjonizowanej substancji amunicji i jonizacji powietrza przez falę uderzeniową. Wymiary tego obszaru w kierunku poziomym sięgają dziesiątek i setek metrów.
Drugi obszar zwiększona jonizacja następuje poniżej środka wybuchu w atmosferze na wysokości 60-90 km w wyniku absorpcji przenikliwego promieniowania przez powietrze. Odległości, przy których przenikające promieniowanie powoduje jonizację, to setki, a nawet tysiące kilometrów w kierunku poziomym.
Obszary wzmożonej jonizacji powstałe w wyniku wybuchu jądrowego na dużej wysokości pochłaniają fale radiowe i zmieniają kierunek ich propagacji, co prowadzi do znacznych zakłóceń w pracy urządzeń radiowych. W takim przypadku dochodzi do przerw w komunikacji radiowej, a w niektórych przypadkach jest ona całkowicie zakłócona.
Charakter niszczącego efektu impulsu elektromagnetycznego wybuchów nuklearnych na dużych wysokościach jest zasadniczo podobny do charakteru niszczącego efektu EMP wybuchów naziemnych i powietrznych.
Środki ochrony przed niszczącym działaniem impulsu elektromagnetycznego wybuchów na dużych wysokościach są takie same jak przed EMP wybuchów naziemnych i powietrznych.
2.5.1 Ochrona przed promieniowaniem jonizującym i elektromagnetycznym
wybuchy jądrowe na dużych wysokościach (HNE)
Zakłócenia w RS mogą powstawać w wyniku eksplozji broni jądrowej, której towarzyszy emisja silnych impulsów elektromagnetycznych o krótkim czasie trwania (10-8 s) oraz zmiany właściwości elektrycznych atmosfery.
EMR (radio flash) występuje:
Najpierw , w wyniku asymetrycznego rozszerzania się chmury wyładowań elektrycznych powstających pod wpływem promieniowania jonizującego z wybuchów;
Po drugie , ze względu na szybką ekspansję silnie przewodzącego gazu (plazmy) powstałego z produktów wybuchu.
Po eksplozji w kosmosie powstaje kula ognia, która jest silnie zjonizowaną kulą. Kula ta gwałtownie rozszerza się (z prędkością około 100-120 km/h) nad powierzchnią ziemi, przekształcając się w kulę o fałszywej konfiguracji, grubość kuli sięga 16-20 km. Stężenie elektronów w kuli może osiągnąć 105-106 elektronów/cm3, czyli 100-1000 razy wyższe niż normalne stężenie elektronów w warstwie jonosferycznej D.
Wybuchy nuklearne na dużych wysokościach (HNE) na wysokościach powyżej 30 km znacząco wpływają na właściwości elektryczne atmosfery na dużych obszarach przez długi czas, a zatem mają silny wpływ na propagację fal radiowych.
Ponadto potężny impuls elektromagnetyczny powstający podczas IYE indukuje wysokie napięcia (do 10 000-50 000 V) i prądy do kilku tysięcy amperów w przewodowych liniach komunikacyjnych.
Moc EMP jest tak duża, że jej energia wystarcza do penetracji ziemi na odległość do 30 mi wzbudzenia pola elektromagnetycznego w promieniu do 50-200 km od epicentrum wybuchu.
Jednak głównym efektem IJW jest to, że ogromna ilość energii uwolniona podczas eksplozji, a także intensywne strumienie neutronów, promieni rentgenowskich, ultrafioletowych i gamma, prowadzą do powstania silnie zjonizowanych obszarów w atmosferze i wzrost gęstości elektronów w jonosferze, co z kolei prowadzi do absorpcji fal radiowych i zakłócenia stabilności funkcjonowania układu sterowania.
2.5.2 Charakterystyczne znaki IJV
EYE w danym obszarze lub w jego pobliżu towarzyszy natychmiastowe zaprzestanie odbioru odległych stacji w zakresie fal HF.
W momencie zerwania łączności w telefonach słychać krótkie kliknięcie, a następnie słychać tylko własne odgłosy odbiorcy i słabe trzaski, takie jak pioruny.
Kilka minut po zakończeniu łączności na HF gwałtownie wzrastają zakłócenia ze strony odległych stacji w zasięgu miernika VHF.
Zmniejsza się zasięg radaru i dokładność pomiaru współrzędnych.
Podstawą ochrony środków elektronicznych jest prawidłowe wykorzystanie zakresu częstotliwości i wszystkich czynników, które powstają w wyniku zastosowania IJV
2.5.3 Podstawowe definicje:
odbita fala radiowa (odbita fala ) jest falą radiową rozchodzącą się po odbiciu od granicy między dwoma ośrodkami lub z niejednorodności ośrodka;
bezpośrednia fala radiowa (prosta fala ) - fala radiowa rozchodząca się bezpośrednio ze źródeł do miejsca odbioru;
naziemne fale radiowe (fala ziemi ) - fala radiowa rozchodząca się w pobliżu powierzchni ziemi i obejmująca falę bezpośrednią, falę odbitą od ziemi i falę powierzchniową;
jonosferyczna fala radiowa (fala jonosferyczna ) - fala radiowa rozchodząca się w wyniku odbicia od jonosfery lub rozpraszania się na niej;
pochłanianie fal radiowych (wchłanianie ) - spadek energii fali radiowej z powodu jej częściowego przejścia w energię cieplną w wyniku interakcji z otoczeniem;
wielościeżkowy (wielościeżkowy ) - propagacja fal radiowych z anteny nadawczej do anteny odbiorczej kilkoma ścieżkami;
efektywna wysokość odbicia warstwy (wysokość efektywna ) Czy hipotetyczna wysokość odbicia fali radiowej od warstwy zjonizowanej, zależna od rozkładu koncentracji elektronów na wysokości i długości fali radiowej, określona w kategoriach czasu między transmisją a odbiorem odbitej jonosfery fala podczas sondowania pionowego przy założeniu, że prędkość propagacji fali radiowej na całej drodze jest równa prędkości światła w próżni;
skok jonosferyczny (skok ) - trajektoria propagacji fali radiowej z jednego punktu na powierzchni Ziemi do drugiego, której przejściu towarzyszy jedno odbicie od jonosfery;
maksymalna użyteczna częstotliwość (MUF) - najwyższa częstotliwość emisji radiowej, przy której w określonych warunkach następuje jonosferyczna propagacja fal radiowych między określonymi punktami, jest to częstotliwość, która wciąż odbija się od jonosfery;
optymalna częstotliwość pracy (ORCH) - częstotliwość emisji radiowej poniżej IF, przy której można prowadzić stabilną łączność radiową w określonych warunkach geofizycznych. Z reguły ORF jest o 15% niższy niż MUF;
pionowe sondowanie jonosferyczne (sondowanie pionowe ) - sondowanie jonosferyczne za pomocą sygnałów radiowych emitowanych pionowo w górę w stosunku do powierzchni Ziemi, pod warunkiem wyrównania punktów nadawania i odbioru;
zaburzenia jonosferyczne - naruszenie rozkładu jonizacji w atmosferze, które zwykle przekracza zmianę średniej charakterystyki jonizacji dla danych warunków geograficznych;
burza jonosferyczna - długotrwałe zaburzenia jonosferyczne o dużym natężeniu.
Przy określaniu zasięgu systemów radiowych należy wziąć pod uwagę absorpcję i załamanie fal radiowych podczas ich propagacji w atmosferze, ich odbicie od jonosfery, wpływ leżącej poniżej powierzchni wzdłuż ścieżki, wzdłuż której propaguje się sygnał radiowy .
Stopień wpływu tych czynników zależy od zakresu częstotliwości i warunków pracy systemu radiowego (pora dnia, obszar geograficzny, wysokość anteny nadajnika i odbiornika).
Wpływ pochłaniania i załamywania fal radiowych jest najbardziej znaczący w dolnej głównej warstwie atmosfery, zwanej troposferą. Troposfera rozciąga się na wysokość do 8-10 km w regionach polarnych i do 16-18 km w tropikalnych szerokościach geograficznych Ziemi. Główna część pary wodnej jest skoncentrowana w troposferze, powstają chmury i przepływy turbulentne, co wpływa na propagację fal radiowych, zwłaszcza o zakresach milimetrowych, centymetrowych i decymetrowych, stosowanych w radarach i radionawigacji bliskiego zasięgu.
Odbicie fal radiowych od jonosfery najsilniej oddziałuje na fale dekametrowe i dłuższe stosowane w systemach nawigacyjnych i komunikacyjnych.
Rozważmy pokrótce wpływ wymienionych czynników.
Wpływ tłumienia fal radiowych w troposferze związany jest z ich pochłanianiem przez cząsteczki tlenu i pary wodnej, hydrometeory (deszcz, mgła, śnieg) oraz cząstki stałe. Pochłanianie i rozpraszanie prowadzi do zmniejszenia gęstości strumienia mocy fali radiowej wraz z odległością zgodnie z prawem wykładniczym, tj. moc sygnału na wejściu jest tłumiona o współczynnik. Wartość współczynnika tłumienia zależy od współczynnika tłumienia oraz odległości przebytej przez fale radiowe D. Jeżeli współczynnik na całej trasie jest stały i rozważany jest przypadek radaru aktywnego o odpowiedzi pasywnej, to moc sygnału przy wejście odbiornika zmniejsza się z powodu tłumienia od do
Jeśli wyrazimy, w, to. W obecności hydrometeorów i innych cząstek w atmosferze współczynnik tłumienia jest sumą współczynników cząstkowych tłumienia spowodowanych absorpcją tlenu i pary wodnej przez cząsteczki oraz wpływem cząstek ciekłych i stałych. Absorpcja cząsteczek w atmosferze zachodzi głównie przy częstotliwościach bliskich rezonansowi. Linie rezonansowe wszystkich gazów w atmosferze, z wyjątkiem tlenu i pary wodnej, znajdują się poza zasięgiem fal radiowych, dlatego tylko absorpcja przez cząsteczki tlenu i pary wodnej znacząco wpływa na zasięg RTS. Absorpcja przez cząsteczki pary wodnej jest maksymalna na fali, a przez cząsteczki tlenu - na fali.
Zatem absorpcja molekularna jest znacząca w centymetrach, a zwłaszcza w zakresie fal milimetrowych, gdzie ogranicza zasięg systemów radiowych, zwłaszcza systemów radarowych działających na sygnałach odbitych.
Innym powodem utraty energii sygnału podczas propagacji jest rozpraszanie fal radiowych, głównie przez krople deszczu i mgłę. Im większy stosunek promienia kropli , do długości fali
, do długości fali , tym większa strata energii spowodowana jej rozpraszaniem we wszystkich kierunkach. To rozproszenie wzrasta proporcjonalnie do czwartej potęgi częstotliwości, ponieważ EPR spadku przy
gdzie jest stała dielektryczna wody.
Jeżeli znana jest średnica kropel i ich liczba na jednostkę objętości, można określić współczynnik tłumienia. W książkach referencyjnych współczynnik deszczu jest zwykle podawany w zależności od jego intensywności i długości fali. W zakresie centymetrowym współczynnik tłumienia zmienia się w przybliżeniu proporcjonalnie do kwadratu częstotliwości sygnału. Jeśli z częstotliwością w mm / h, to z częstotliwością o tej samej intensywności opadów.
Tłumienie fal radiowych we mgle jest wprost proporcjonalne do stężenia w niej wody. Tłumienie fal radiowych spowodowane gradem i śniegiem jest znacznie mniejsze niż spowodowane deszczem lub mgłą i zwykle jest zaniedbywane.
Maksymalny zasięg radaru, uwzględniający tłumienie, określa wzór
jeśli znany jest zasięg w wolnej przestrzeni. Równanie to można rozwiązać graficznie, przedstawiając je w postaci logarytmicznej. Po prostych przekształceniach znajdujemy
Oznaczmy względny spadek zakresu i zapiszmy równanie w postaci wygodnej dla rozwiązania graficznego:
Rysunek 9.4 pokazuje zależność, która pozwala na dane i znaleźć, a co za tym idzie,.
Wpływ załamania fal radiowych w atmosferze. Załamanie (załamanie, krzywizna) fal radiowych to odchylenie propagacji fal radiowych od prostoliniowego, gdy przechodzą przez ośrodek o zmieniających się parametrach elektrycznych. Właściwości refrakcyjne ośrodka charakteryzują się współczynnikiem załamania, który jest określony przez jego stałą dielektryczną. Wraz ze współczynnikiem załamania w atmosferze zmienia się wraz z wysokością. Szybkość zmian wraz z wysokością charakteryzuje się gradientem, którego wartość i znak charakteryzują załamanie.
Kiedy nie ma załamania. Jeśli, to załamanie jest uważane za ujemne, a trajektoria fali radiowej jest odchylona od powierzchni Ziemi. załamanie jest dodatnie, a trajektoria fali radiowej jest odchylona w kierunku Ziemi, co prowadzi do jej załamania przez falę radiową i zwiększenia zasięgu systemów radiowych, a w szczególności zasięgu wykrywania radarowego statków i nisko- latające.
Dla normalnego stanu atmosfery, tj. załamanie jest dodatnie, co prowadzi do zwiększenia zasięgu horyzontu radiowego. Wpływ normalnego załamania jest uwzględniany przez pozorny wzrost promienia Ziemi o współczynnik równy wzrostowi zasięgu horyzontu radiowego. Promień krzywizny trajektorii fali radiowej jest odwrotnie proporcjonalny do gradientu, tj. Gdy promień krzywizny trajektorii fali radiowej jest równy promieniowi Ziemi, a skierowana poziomo fala radiowa rozchodzi się równolegle do powierzchni Ziemi, zaginając się wokół niej. Jest to przypadek krytycznego załamania, w którym możliwe jest znaczne zwiększenie zasięgu radaru.
W nienormalnych warunkach panujących w troposferze (gwałtowny wzrost ciśnienia, wilgotności, temperatury) możliwa jest również superrefrakcja, w której promień krzywizny trajektorii fali radiowej staje się mniejszy niż promień Ziemi. W takim przypadku propagacja fal radiowych na bardzo duże odległości jest możliwa w troposferze, jeśli antena radaru i obiekt znajdują się na wysokości w warstwie troposfery, która tworzy kanał falowodu.
Wpływ podłoża. Oprócz załamania atmosferycznego, zginanie wokół powierzchni ziemi następuje z powodu dyfrakcji fal radiowych. Jednak w strefie cienia (za horyzontem) intensywność fal radiowych gwałtownie spada z powodu strat na powierzchni pod nimi, które gwałtownie rosną wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału radiowego. Dlatego tylko przy falach powyżej 1000 m fala powierzchniowa, czyli fala otaczająca powierzchnię Ziemi, może zapewnić duży zasięg systemu (kilkaset, a nawet tysięcy kilometrów). Dlatego RNS dalekiego zasięgu wykorzystuje fale o długich i bardzo długich falach.
Tłumienie fali powierzchniowej zależy od stałej dielektrycznej i przewodności elektrycznej podłoża, co więcej, dla powierzchni morza i pustyń piaszczystych lub górskich; jednocześnie waha się w zakresie 0,0001 - 5 S/m. Wraz ze spadkiem przewodności gleby, tłumienie gwałtownie wzrasta, dlatego największy zasięg działania uzyskuje się, gdy fale radiowe rozchodzą się po morzu, co jest niezbędne dla radiowej nawigacji morskiej.
Wpływ leżącej pod spodem powierzchni wpływa nie tylko na zasięg RNS, ale także na ich dokładność, ponieważ prędkość fazowa propagacji fal radiowych zależy również od parametrów podłoża. Specjalne mapy korekcji prędkości fazowych tworzone są w zależności od parametrów podłoża, jednak ponieważ parametry te zmieniają się w zależności od pory roku i dnia, a nawet pogody, praktycznie niemożliwe jest całkowite wyeliminowanie błędów pozycjonowania spowodowanych zmianą prędkość fazowa propagacji fal radiowych.
Fale radiowe o długości ponad 10 m mogą rozchodzić się poza horyzont w wyniku pojedynczych lub wielokrotnych odbić od jonosfery.
Wpływ odbicia fal radiowych od jonosfery. Fale radiowe, które docierają do anteny odbiorczej po odbiciu od jonosfery, nazywane są przestrzennymi.
Takie fale zapewniają bardzo duży zasięg, który jest wykorzystywany w systemach komunikacyjnych o zasięgu krótkofalowym (dekametrowym). Na falach kosmicznych wykrywanie niektórych celów za pomocą radarów ultradalekiego zasięgu (wybuchów jądrowych i wystrzeliwania rakiet) odbywa się również za pomocą sygnałów odbitych od celu, które na ścieżce propagacji doświadczają jednego lub więcej odbić od jonosfery i powierzchni Ziemi. Zjawisko odbierania takich sygnałów (efekt Kabanowa) odkrył radziecki naukowiec NI Kabanow w 1947 roku. Radary oparte na tym efekcie nazywane są jonosferycznymi lub ponadhoryzontowymi. W takich stacjach, pracujących na falach o długości 10-15 m, tak jak w konwencjonalnych radarach, zasięg docelowy określany jest przez czas opóźnienia sygnału, a kierunek ustalany jest za pomocą anteny kierunkowej. Ze względu na niestabilność jonosfery dokładność takich stacji jest niska, a obliczenie zasięgu działania jest trudnym zadaniem ze względu na trudność uwzględnienia strat spowodowanych rozpraszaniem i pochłanianiem fal radiowych wzdłuż ścieżki propagacji, a także kiedy odbijają się od Ziemi i jonosfery. W tym przypadku należy również liczyć się ze stratami spowodowanymi zmianą płaszczyzny polaryzacji fal radiowych.
Zależność wysokości jonosferycznej z wielu powodów prowadzi do nieprzewidywalnych zmian w opóźnieniu sygnału, co utrudnia wykorzystanie fal nieba do radionawigacji. Ponadto interferencja fal kosmicznych i powierzchniowych prowadzi do zniekształcenia sygnału powierzchniowego i zmniejsza dokładność lokalizacji.
Na zakończenie rozważmy cechy propagacji fal radiowych o zasięgu miriametrycznym (superdługofalowym) o długości 10-30 km, stosowanym w naziemnych globalnych systemach nawigacyjnych. Fale te są słabo absorbowane przez powierzchnię pod spodem i dobrze odbijają się od niej, a także od jonosfery, zarówno w nocy, jak iw ciągu dnia. W rezultacie ultradługie fale rozchodzą się wokół Ziemi, jak w falowodzie ograniczonym powierzchnią Ziemi i jonosferą, na bardzo duże odległości. Jednocześnie można przewidzieć zmianę prędkości propagacji i przesunięcia fazowe, co zapewnia dokładność pozycjonowania wystarczającą do nawigacji na otwartym morzu.
Obecnie do globalnej nawigacji wykorzystywane są satelitarne RNS, w których ze względu na dużą wysokość orbit satelitów zapewniana jest bezpośrednia „widoczność” na duże odległości za pomocą fal decymetrowych, które swobodnie przechodzą przez jonosferę. obejmuje całą przestrzeń zbliżoną do Ziemi.
Napisz równanie zasięgu radaru w wolnej przestrzeni.
Jak zasięg stacji radarowej zależy od jej długości fali?
Jak odbicie fal radiowych od powierzchni Ziemi wpływa na zasięg radaru?
Jaka jest specyfika wykrywania nisko położonych obiektów?
Jakie są główne przyczyny tłumienia propagacji sygnału radarowego?
Wyznacz zasięg 3-centymetrowego radaru działającego w warunkach deszczowych mm/h(). Zasięg radaru w wolnej przestrzeni.
W jakich warunkach załamanie fal radiowych prowadzi do nieprawidłowego zwiększenia zasięgu radaru?
Jaki jest wpływ podłoża na działanie RNS?
Czym jest „efekt Kabanowa” i jak jest stosowany w praktyce?
Dlaczego fale radiowe VLF są wykorzystywane w globalnych naziemnych systemach RNS?
