Вплив іоносфери на поширення радіохвиль
Будь-яка система передачі сигналів складається з трьох основних частин:
передавального пристрою,
приймального пристрою
і проміжної ланки - з'єднує лінії.
Для радіосистем проміжною ланкою є середовище - простір, в якому поширюються радіохвилі. При поширенні радіохвиль з природничих трасах, т. Е. В умовах, коли середовищем служить земна поверхня, атмосфера, космічний простір, середовище є тією ланкою радіосистеми, яке практично не піддається управлінню.
При поширенні радіохвиль в середовищі відбуваються зміна амплітуди поля хвилі (зазвичай зменшення), зміна швидкості і напрямку поширення, поворот площини поляризації і спотворення переданих сигналів.
Земна поверхня має суттєвий вплив на поширення радіохвиль: в полупроводящей поверхні Землі радіохвилі поглинаються; при падінні на земну поверхню вони відображаються; сферична форма земної поверхні перешкоджає прямолінійним поширенню радіохвиль. Радіохвилі, що поширюються в безпосередній близькості від поверхні Землі (в масштабі довжини хвилі) називають земними радіохвилями
Шляхи поширення радіохвиль
Мал. 1. Шляхи поширення радіохвиль
Вплив атмосфери враховують окремо, вносячи необхідні поправки. У навколишньому Землю атмосфері розрізняють три області, які надають вплив на поширення радіохвиль: тропосферу, стратосферу і іоносферу. Межі між цими областями виражені не різко і залежать від часу і географічного місця.
Іоносферою називається область атмосфери на висоті 60-10 000 км над земною поверхнею. На цих висотах щільність повітря дуже мала і повітря іонізований, т. Е. Є велика кількість вільних електронів (приблизно 103-106 електронів в 1 см3 повітря). Присутність вільних електронів суттєво впливає на електричні властивості іоносфери і обумовлює можливість відображення від іоносфери радіохвиль довше 10 м. При одноразовому відображенні радіохвилі можуть перекривати відстань по поверхні Землі до 4000 км. В результаті багаторазового відбиття від іоносфери і поверхні Землі радіохвилі можуть поширюватися на будь-які відстані по земній поверхні. Радіохвилі, що розповсюджуються шляхом відображення від іоносфери або розсіювання в ній, називають іоносферними хвилями 3.
На умови розповсюдження іоносферних хвиль властивості земної поверхні і тропосфери впливають мало.
Наявність у верхніх шарах атмосфери вільних електронів визначає електричні параметри іонізованого газу - його діелектричну проникність. і провідність?
Число електронів, що містяться в одиниці об'єму повітря, називається електронною щільністю Na (див-3)
Електронна і іонна щільності іоносфери непостійні по висоті, що призводить до заломлення і відбиття радіохвиль в іоносфері.
Розподіл щільності електронів по висоті атмосфери.
маса частинок
т, г Радіус частинок,
см Число частинок падаючих щодня на Землю Електронна щільність, Nе см-3
1 0,4 105 2 1015
10-3 0.04 108 2 1014
10-5 0,008 1010 5 1013
Після припинення дії джерела іонізації електронна щільність спадає за гіперболічним законом Тому з за ходом Сонця іонізація в нижніх шарах іоносфери зникає не миттєво, а в верхніх шарах - зберігається протягом всієї ночі.
Помітна електронна щільність з'являється в атмосфері починаючи з висоти приблизно 60 км. Далі електронна щільність іоносфери міняється з висотою над земною поверхнею, а отже, і електричні властивості іоносфери неоднорідні по висоті.
При поширенні радіохвилі в неоднорідному середовищі її траєкторія викривляється. При досить великий електронної щільності викривлення траєкторії хвилі може виявитися настільки сильним, що хвиля повернеться на поверхню Землі на деякій відстані від місця випромінювання, т. Е. Станеться відображення радіохвилі в іоносфері.
Відображення радіохвиль, які були надіслані з поверхні Землі на іоносферу, відбувається не на кордоні повітря - іонізований газ, а в товщі іонізованого газу. Відображення може статися тільки в тій області іоносфери, де діелектрична проникність зменшується з висотою а, отже, електронна щільність зростає з висотою, т. Е. Нижче максимуму електронної щільності іоносферного шару.
Схема відображення радіохвиль від іоносфери
Мал. 3. Схема відображення радіохвиль від іоносфери.
Умова відображення пов'язує кут падіння хвилі на нижню межу іоносфери. з діелектричної проникністю в товщі самої іоносфери на тій висоті, де відбувається відображення хвиль (рис. 3):
sin? 0 =? n1 / 2 = (1 - 80,8Ne / f2) 1/2
Тут і далі Nе - щільність електронів, см3, а частота f в кГц.
Чим більше значення Nе, тим при менших кутах? Про можливе відображення. Кут? О, при якому в даних умовах ще можливо відображення, називають критичним кутом.
Ближні та дальні завмирання на середніх хвилях
Мал. 4. Ближні та дальні завмирання на середніх хвилях.
1 - земна хвиля;
2 - хвиля, що відбилася від іоносфери один раз;
3 - хвиля, що відбилася від іоносфери двічі.
На великі відстані СВ, поширюються тільки в нічний час шляхом відображення від шару Е іоносфери, електронна щільність якого виявляється достатньою для цього. У денні години на шляху поширення СВ розташований шар D, який надзвичайно сильно поглинає енергію цих хвиль. Тому при зазвичай застосовуваних потужностях передавачів напруженість електричного поля на великих відстанях виявляється недостатньою для прийому і в денні години поширення СВ відбувається практично тільки земної хвилею. Іоносферні обурення не впливають на поширення СВ, так як шар Е мало порушується під час іоносферних-магнітних бур.
Завмирання на середніх хвилях спостерігаються тільки в нічні години, коли на деякій відстані від передавача можливий прихід одночасно просторової і поверхневої хвиль в точку В, причому довжина шляху просторової хвилі змінюється зі зміною електронної щільності іоносфери. Зміна різниці фаз цих хвиль призводить до коливання напруженості електричного поля в часі, званому ближнім завмиранням. На значну відстань від передавача (точка С) можуть прийти хвилі шляхом одного або двох відбитків від іоносфери. Зміна різниці фаз цих двох хвиль також призводить до коливання напруженості поля, що зветься далеким завмиранням. Швидкість замираний невелика (період замираний становить 1 2 хв). Статистичні характеристики завмирань не досліджені.
Для боротьби із завмиранням на передавальному кінці радіолінії застосовуються антени з діаграмами спрямованості, притиснутими до земної поверхні. При такій діаграмі спрямованості зона ближніх замираний віддаляється від передавача, а на великих відстанях поле хвилі, що прийшла шляхом двох відображень, виявляється ослабленим.
До діапазону коротких хвиль (KB) відносять хвилі довжиною від 10 до 100 м (f = 30- 3 МГц). Хвилі KB діапазону поширюються земної хвилею на відстань не більше 100 км внаслідок сильного поглинання в земної поверхні і поганих умов дифракції.
Схема поширення KB на великі відстані
Мал. 5 Схема поширення KB на великі відстані.
а - інтерференція хвиль, відбитих одноразово і двократно від іоносфери,
1 - поверхнева хвиля;
2-хвиля, що розповсюджується шляхом одного відбиття від іоносфери;
3 - хвиля, що розповсюджується шляхом двох відображень від іоносфери;
4 - хвиля, робоча частота якої більше максимально допустимої;
б - інтерференція розсіяних хвиль;
в-інтерференція магніторасщепленних складових хвиль.
Поширення KB ионосферной хвилею відбувається шляхом послідовного відображення від шару F (іноді шару Е) іоносфери і поверхні Землі. При цьому хвилі проходять через нижню область іоносфери - шари Е і D, в яких зазнають поглинання (рис. 5, а). Для здійснення радіозв'язку на KB повинні бути виконані дві умови: хвилі повинні відбиватися від іоносфери і напруженість електромагнітного поля в даному місці повинна бути достатньою для прийому, т. Е. Поглинання хвилі в шарах іоносфери не повинно бути занадто великим. Ці дві умови обмежують діапазон застосовних робочих частот.
Для відображення хвилі необхідно, щоб робоча частота була не надто високою, а електронна щільність іоносферного шару достатньої для відображення цієї хвилі відповідно до (3-44). З цієї умови вибирається максимальна застосовна частота (МПЧ), що є верхньою межею робочого діапазону.
Друга умова обмежує робочий діапазон знизу: чим нижче робоча частота (в межах короткохвильового діапазону), тим сильніше поглинання хвилі в іоносфері (див. Рис. 5). Найменша застосовна частота (НПЧ) визначається з умови, що при даній потужності передавача напруженість електромагнітного поля повинна бути достатньою для прийому.
Електронна щільність іоносфери міняється протягом доби і протягом року. Значить, змінюються і межі робочого діапазону, що призводить до необхідності зміни робочої довжини хвилі протягом доби:
- днем працюють на хвилях 10-25 м, а вночі на хвилях 35-100 м.
Необхідність правильного вибору довжини хвилі для сеансів зв'язку в різний час ускладнює конструкцію станції і роботу оператора.
Зоною мовчання KB називають кільцеву область, існуючу на деякій відстані від передавальної станції, в межах якої неможливий прийом радіохвиль. Поява зони мовчання пояснюється тим, що земна хвиля загасає і не досягає цієї області, а для іоносферних хвиль, що падають під малими кутами на іоносферу, не виконуються умови відображення. Межі зони мовчання (ВС) розширюються при вкороченні довжини хвилі і зниженні електронної щільності.
Завмирання в діапазоні KB більш глибокі, ніж в діапазоні СВ. Основною причиною завмирань є інтерференція променів, що поширюються шляхом одного і двох відображень від іоносфери. Крім цього завмирання викликаються розсіюванням радіохвиль на неоднорідностях іоносфери і інтерференцією розсіяних хвиль, а також інтерференцією звичайної і незвичайної складових магніторасщепленной хвилі.
При сприятливих умовах поширення KB можуть огинати земну кулю один і кілька разів. Тоді крім основного сигналу може бути прийнятий другий сигнал, запізнюється приблизно на 0,1 с і званий радіоехо. Радіоехо надає дія, що заважає, на лініях меридіонального напрямку.
Радіозв'язок на KB зазнає порушення, основною причиною яких є іоносферних-магнітні бурі. При цьому шар F руйнується і відображення KB стає неможливим. Найбільш часто ці порушення спостерігаються в приполярних районах і тривають від кількох годин до двох діб. Другий вид порушень - раптові поглинання (спостерігаються лише на освітленій частині земної кулі), які тривають від кількох хвилин до кількох годин. Часто обидва види порушень зв'язку виникають одночасно.?