Общие закономерности распространения радиоволн

Электромагнитные волны обладают свойством огибать преграды. Это свойст­во (дифракция—огибание) изу­чается в физике применительно к вол­нам оптического диапазона. При рас­смотрении дифракции исходят из прин­ципа Гюйгенса, который гласит: каждая точка франта волны, излученной некото­рым первичным источникам, сама явля­ется источником новой (вторичной) сфе­рической волны. Чем длиннее волны, тем более крупные преграды они способ­ны огибать. Радиоволны длиннее све­товых, а потому и дифракция их прояв­ляется сильнее. Как уже указывалось, неизбежной преградой для сравнительно дальних наземных радиолиний оказывается вы­пуклость земного шара. Ее способны огибать лишь длинные радиоволны. Как показал в своих исследованиях акаде­мик В. А. Фок, даже сверхдлинные вол­ны при наибольших осуществимых мощ­ностях излучения могут обеспечить дальность дифракционного распростра­нения не более 3000—4000 км. Но на практике оказывается возможным осу­ществить на длинных волнах даже связь между антиподами, т. е. до 20 000 км. Для объяснения таких возможностей не­обходимо учитывать влияние ионосферы, о чем будет сказано ниже.

Поверхность Земли, над которой распространяются «земные» волны, ха­рактеризуется местными неровностям». Выше указывалось, что неровности яв­ляются преградами для распростране­ния радиоволн в том случае, если их размеры значительно превышают длину волны; от таких неровностей происходит «зеркальное» отражение волн. Более мелкие неровности, но еще соизмери­мые с длиной волны («шероховатая» поверхность), создают рассеянное отражение волн.

Рис. 5.4. Рассеянное отражение шероховатой поверхности.

На рис.5.4. луч приходящих волн показан наклонным по отношению к среднему уровню ше­роховатой поверхности. Рассеяние умень­шает поток мощности, достигающий пункта приема. Чем меньше высота неровностей и чем более пологое направ­ление падающего луча, тем меньше ока­жется рассеяние при данной длине волны.

Теперь предположим, что несиммет­ричный заземленный вибратор излучает радиоволны над ровной земной поверхностью. Если бы поверх­ностный слой был идеальным проводни­ком ( σ = ∞ ), то волны были бы поляризованы строго вертикально (рис. 5.5.)

Рис. 5.5. Распространение земных волн:

а - над идеальной почвой; б – над реальной почвой.

Горизонтальное электрическое поле у поверхности проводника с высокой про­водимостью, как было показано ранее, равно нулю. Линии вертикального поля заканчиваются на поверхности. В дей­ствительности поверхностный слой земли является полупроводящим, т. е. имеет конечную проводимость и некоторую ди­электрическую проницаемость, отличную от единицы. Переменное электрическое поле радиоволн проникает в почву и расходует в ней энергию на нагревание токами проводимости и токами смеще­ния. Значит, луч волны, т. е. направле­ние потока мощности, становится на­клонным (рис5.5.б): часть энергии передается почве, а другая часть про­должает движение вдоль поверхности. Но вектор напряженности электрическо­го поля Е всегда перпендикулярен лу­чу. Следовательно, и электрическое поле приобретает наклон своего вектора впе­ред — в сторону движения волн. Вектор Е может быть разложен на два составляющих вектора — верти­кальный Ев и горизонтальный Ег. Чем больше почва отличается от идеального проводника, тем больше на­клон вектора Е и тем меньше напря­женность поля в пункте, приема по сравнению с полем при идеальных ус­ловиях распространения. Потери в почве зависят от длины волны. Мор­ская вода для длинных волн создает условия распространения, наиболее близкие к идеальным. Дальние связи земными лучами практи­чески осуществимы лишь на длинных в о л н а х.

Но здесь возникает еще одна осо­бенность; если строго вертикально по­ляризованные волны нужно принимать на вертикальную приемную антенну для создания в ней переменного тока, то наклонное поле своей горизонтальной составляющей может изводить ток и в горизонтальном приемном проводе, рас­положенном вдаль направления движе­ния воля. Прием на горизонтальный провод выгоден при необходимости низ­кой подвески антенн.

От рассмотрения характеристик влияния земной поверхности на распро­странение радиоволн обратимся к ха­рактеристикам влияния земной атмо­сферы. Допустим, что радиоволны из области нейтрального газа переходят в область ионизированного газа. Попереч­ное (т. е. перпендикулярное лучу) элек­трическое поле приводят в движение свободные электроны ионизированной среды. Электромагнитное поле движу­щихся зарядов электронов суммируется с полем радиоволн, в результате чего изменяется направление их лучей. В фи­зике такое изменение направления лу­чей называется преломлением. Ко­эффициент преломления при переходе луча из нейтрального слоя в ионизиро­ванный определяется известным из фи­зики соотношением n = sinδ₁ / sinδ₂

где δ₁ — -угол падения, а δ₂ — угол пре­ломления (рис. 5.6), составляемые

Рис. 5.6. Закон прелом­ления радиоволн соответственно падающим и преломлен­ным лучами с перпендикуляром к по­верхности раздела слоев.

Реальная область ионосферы имеет, конечно, неравномерную плотность иони­зации, как это и было показано на рис, 5.5. Плотность ионизации с высо­той возрастает, достигает максимума и затем постепенно уменьшается. Можно представить себе, что ионизация возрас­тает скачками (рис. 5.7.), так что e₀ >e₁ >e₂ >e₃. Луч будет испытывать по­степенное преломление, становясь все более и более пологим, и наконец по­дойдет к очередному скачку ионизации (e₃) под углом падения, способным дать отражение луча к Земле.

Рис. .5.7. Схема поворота луча к Земле.

Испытывая обратное преломление, луч вернется к Земле под там же углом Θ под ко­торым был излучен. Вполне понятно, что поворот луча к Земле совершается до прохождения максимальной концент­рация электронов данной области. Если же ионизация недостаточна для поворо­та луча, то он проходят в космическое пространство, испытывая некоторый из­лом пути в ионосфере.

На рис. 5.8. показаны наиболее ха­рактерные случаи распространения ДВ

Рис. 5.8. Характерные примеры прохождения ДВ, KB и УКВ в ионосфере (низкая радиочастота), KB (высокая радиочастота) и УКВ (сверхвысокая ра­диочастота) радиоволн в ионосфере. При ко­лебаниях вызываемых проходящими радиоволнам, электроны в ионосфере сталкиваются с молекулами газа, рас­ходуя на нагревание газа часть энергии радиоволн. Это поглощение энергия яв­ляется вредным свойством ионосферы, так как оно ослабляет напряженность поля радиоволн. Характерно следую­щее: поглощение тем сильнее, чем боль­ше не только степень ионизации, но и плотность самого газа, так как с увели­чением плотности газа возрастает чис­ло соударений электронов с молекула­ми за секунду. Поэтому область Е (и даже область D), имея меньшую кон­центрацию электронов N, нежели об­ласть F, но находясь под большим дав­лением, поглощает энергию радиоволн сильнее. Отсюда для KB, например, об­ласть F оказывается отражающей, а области Е и D — поглощающими.

Поглощение зависит не только от плотности газа, но и от частоты f коле­баний излучателя радиоволн. Для волн короче примерно 300 м эта закономер­ность очень проста: с ростом частоты поглощение энергии радиоволн умень­шается. Это можно пояснить физически. При высокой частоте f колеблющийся электрон успевает несколько раз приоб­ретать и переизлучать энергию, прежде чем сталкивается с молекулой газа ; при­обретенная и вновь излученная анергия возвращается волне («реактивная» энер­гия). Значит, при соударении с моле­кулой энергия, запасенная электроном за короткий период, мала и уменьша­ется с частотой. Ультракороткие волны, например, имеют в ионосфере относи­тельно малое затухание.

Для волн длиннее 100 м имеется максимум затухания в ионосфере; он соответствует приблизительно СВ диапа­зону. Именно в этом диапазоне длин воля частота электромагнитных колеба­ний может оказаться равной числу столкновений электронов с молекулами за секунду. Получается явление своеобразного резонанса, которому соответст­вует максимум поглощения энергии на «нагрев» воздуха. На еще более длин­ных волнах затухание снова 'несколько уменьшается, так как здесь время про­бега электрона между соударениями меньше периода электромагнитных коле­баний, а потому за время пробега элект­рон получает лишь малую порцию энергии волны. Итак, ионосфера может быть средой, не только преломляющей радиоволны, но и поглощающей их энер­гию, т. е. полупроводящей средой.

Волны, которые после преломление в ионосфере возвращаются к Земле, на зываются пространственными (или и о н о с ф е р н ы м и).