Распространение коротких волн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Распространение коротких волн

Объяснение всех явлений, которые наблюдаются при передаче короткими волнами, можно найти в самом механизме их распространения. Короткие электромагнитные волны излучаясь антенной, уходят в пространство и достигают ионизированных слоев атмосферы. Ионосфера - это слой заряженных частиц, который образуется, когда ионизация нейтральных частиц превышает рекомбинацию с увеличением высоты. Наблюдения за состоянием ионосферы показывают, что в ней возникают несколько ионизированных областей плавно переходящих одна в другую.

В дневные часы возникают четыре максимума ионизации, получившие названия области D (60 - 80 км), области E (100 - 120 км), области F1 (180 - 200 км) и области F2 (250 - 450 км).

После заката Солнца, когда уменьшается образование новых электронов, начинается процесс рекомбинации, который протекает особенно бурно в плотных слоях атмосферы. Этим объясняется почти мгновенное исчезновение слоя D, которого нет на ночной кривой. Исчезает и слой F1. В ночные часы ионосфера состоит только из двух ионизированных областей: слоя E и слоя F2.

В распространении коротких волн (КВ) принимают участие все три слоя ионосферы D, E и F2. Радиоволны проникают сквозь области D и E и преломляются и отражаются в слое F2. На близких расстояниях короткие волны распространяются прямолинейно.

Днем для дальних связей используются наиболее короткие волны КВ диапазона (10 - 25 м). При высокой ионизации слоев D и Е днем поглощение сигнала этих волн наименьшее.

Ночью для дальних связей используется нижняя часть КВ диапазона (35 - 100 м), потому что ночью слой D отсутствует, а ионизация слоя Е сильно уменьшается. Ионизация слоя F ночью тоже уменьшается, поэтому более короткие волны не будут от него отражаться.

Таким образом можно охарактеризовать влияние слоев ионосферы на распространение радиоволн в КВ-диапазоне:

Слой F2 - самый верхний из ионизированных слоев ионосферы. Концентрация этого слоя повышается днем, летом она выше, чем зимой. Максимальное распространение для связи одним скачком до 4000 км. Чем выше концентрация слоя, тем более высокая частота может ещё отразиться от ионосферы. Максимальная частота, при которой происходит отражение, называется максимально передаваемой частотой - МПЧ. С увеличением угла отражения МПЧ увеличивается.

Слой F1 - существует только днем. Максимальное распространение для связи одним скачком до 3000 км. Ночью сливается со слоем F2.

Слой Е - отражающий слой, наименее подвержен солнечной активности. Максимальное распространение для связи одним скачком до 2000 км. МПЧ зависит только от угла отражения.

Слой Еs - слой Е спорадический. Возникает спорадически (изредка), чаще в экваториальных широтах. Характеристики как у слоя Е.

Слой D - самый нижний из ионизированных слоев ионосферы и единственный поглощающий слой для радиоволн КВ диапазона. Существует только днем. Ночью исчезает. При исчезновении слоя D ночью, становится возможен прием слабых и далеко расположенных радиостанций. Из-за уменьшения МПЧ отражаемой слоем F2 и увеличением помех из-за пропадания слоя D, ночью, профессиональная радиосвязь в КВ диапазоне затруднена.

«Аврора» - отражения радиоволн от северного сияния. Таким видом связи впервые воспользовался Румянцев Г.А., легендарный советский радиолюбитель, радиоспортсмен и конструктор.

Короткие волны распространяются на дальние расстояния путем отражения от ионосферы и поверхности Земли. Такой способ распространения называют скачковым и характеризуют расстоянием скачка r_c1, r_c2, …, числом скачков n, углами выхода и прихода O₀₁ и O₀₂, максимальной применимой частотой (МПЧ) и наименьшей применимой частотой (НПЧ).

Расстояние скачка зависит от высоты отражающего слоя, рабочей частоты и диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости; оно меняется в зависимости от времени года, сезона и уровня солнечной активности. В среднем максимальное расстояние скачка принимают равным: при отражении от слоя F₂ - 4000 км, при отражении от слоя F₁ - 3000 км, при отражении от слоя Е - 2000 км. Максимальное расстояние скачка имеет место при направлении излучения волны по касательной к горизонту, однако у реальных антенн максимум излучения направлен под некоторым углом к горизонту, что приводит к уменьшению максимального расстояния скачка.

Если ионосфера однородна в горизонтальном направлении, то = и траектория волны симметрична. Обычно излучение происходит в некотором спектре углов, так как ширина диаграммы направленности коротковолновых антенн в вертикальной плоскости составляет 10-15°. Минимальное расстояние скачка, для которого выполняется условие отражения

(1)

короткий электромагнитный волна отражение

при =, называют расстоянием мертвой зоны (). Углы выхода больше  дают ряд траекторий, причем оптимальные условия радиосвязи выполняются, если угол прихода волны на заданное расстояние соответствует углу максимального излучения антенны.

Чтобы волна могла быть принята на определенном расстоянии от передатчика, во-первых, должно выполняться условие отражения волны от ионосферы (1) и, во-вторых, напряженность электрического поля полезного сигнала в данном месте должна превышать уровень помех. Эти два условия ограничивают диапазон применимых рабочих частот.

Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не выше значения, определяемого формулой (1). Из этого условия выбирают максимальную применимую частоту (МПЧ), являющуюся верхней границей рабочего диапазона для данного расстояния.

Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере. Наименьшую применимую частоту (НПЧ) определяют из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электрического поля сигнала должна превышать уровень шумов, а, следовательно, поглощение сигнала в слоях ионосферы должно быть не больше допустимого.

Мертвые зоны.

КВ очень сильно поглощаются землей. Поэтому короткие волны, распространяющиеся вдоль поверхности земли (поверхностные волны), быстро затухают. Радиоволны, ушедшие в пространство под углом к горизонту и отраженные от ионизированных слоев, возвращаются обратно на землю на расстоянии сотен или тысяч километров от передающей радиостанции. Пространство, расположенное между зоной действия земного луча и зоной действия отраженного луча, называется иногда мертвой зоной, так как в этой зоне радиоприем невозможен.

Замирания коротких волн.

Прием коротких радиоволн всегда сопровождается измерением во времени уровня принимаемого сигнала, причем это изменение носит случайный характер. Такое явление называют замираниями сигнала.

Очевидно, что при наличии замираний можно говорить только о вероятности появления того или иного уровня сигнала. Различают быстрые и медленные замирания сигнала.

Основной причиной быстрых замираний сигнала является многолучевое распространение радиоволн. Чаще всего причиной замираний служит приход в точку приема двух лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы. Поскольку два луча проходят различные пути, фазы их неодинаковы. Изменения электронной плотности, непрерывно происходящие в ионосфере, приводят к изменению длины пути каждого из лучей, а следовательно, и к изменению разности фаз между лучами. Для изменения фазы волны на 180° достаточно, чтобы длина пути изменилась на / 2, т.е. на 5-50 м. Такие незначительные изменения длины пути могут происходить непрерывно, поэтому, колебания напряженности электрического поля в диапазоне коротких волн являются частыми и глубокими.

Кроме интерференционных замираний сигнала, на коротких волнах имеют место поляризационные замирания. Причиной поляризационных замираний является поворот плоскости поляризации волны при распространении ее в направлении силовых линий магнитного поля Земли. Если, например, передающая и приемная антенны представляют собой горизонтальные вибраторы, то излученная горизонтально-поляризованная волна после прохождения в ионосфере претерпит поворот плоскости поляризации. Угол поворота меняется с изменением электронной плотности ионосферы. Поэтому направление вектора напряженности электрического поля относительно приемной антенны непрерывно меняется, что приводит к колебаниям ЭДС, наводимой в антенне.

На практике все указанные причины замираний сигнала действуют одновременно. Замирания характеризуются их скоростью. Скорость замираний показывает, какое число раз n в единицу времени огибающая амплитуды сигнала пересекает в положительном направлении заданный уровень сигнала. Наблюдения показали, что при быстрых замираниях для уровней напряженности поля, превышаемых в 90% времени, средняя величина n = 12 в минуту.

Помимо быстрых замираний, наблюдаются медленные замирания, для выявления которых необходимо вести наблюдения в течение 40-60 мин. Причиной этих замираний является изменение поглощения радиоволн в ионосфере. Распределение огибающей амплитуды сигнала при медленных замираниях подчиняется нормально логарифмическому закону со стандартным отклонением порядка 8 дБ.

Для борьбы с замираниями применяют различные методы, например, прием на антенны с узкой диаграммой направленности, ориентированной так, чтобы принимался только один луч. Однако направление прихода луча меняется в течение суток, поэтому необходимо предусматривать возможность изменения направления максимума диаграммы направленности антенны. Такая приемная антенна является сложной и громоздкой. Эффективным является также прием на разнесенные антенны. Дело в том, что увеличение и уменьшение напряженности электрического поля происходят не одновременно даже на сравнительно небольшой площади земной поверхности. В то время как в месте расположения одной антенны уровень напряженности поля мал, вблизи второй антенны на расстоянии в несколько длин волн (сто или несколько сотен метров) от первой напряженность электрического поля оказывается достаточной для приема. Эффективным является разнесение антенн по поляризации, т.е. одновременный прием на вертикальную и горизонтальную антенны с последующим сложением сигналов. Указанные меры борьбы действенны только для исключения быстрых замираний, медленные изменения сигнала не устраняются.

К числу преимуществ коротких волн необходимо отнести:

1) возможность передачи на большие расстояния сравнительно малыми мощностями,

2) сравнительно невысокие мачты,

3) легкая возможность направленной передачи,

4) работа большого количества радиостанций, не мешающих друг другу,

5) возможность применения быстродействующей передачи и передачи изображений.

К числу недостатков коротких волн относятся:

1) требование стабилизации волны, так как изменение волны во время работы на несколько сотых долей процента срывает прием,

2) неодинаковое прохождение волн в разное время суток и года, причем одна и та же волна, принимаемая с огромной слышимостью днем, может быть совершенно не слышна вечером, ночью и утром,

3) замирание (фадинг) - периодическое изменение слышимости во время передачи, которое иногда бывает очень частым, иногда же незаметно и которое очень часто уменьшает слышимость в некоторые моменты до нуля,

4) мертвые зоны - области, сравнительно близко лежащие к передатчику, в которых нет приема, в то время как на более далеких расстояниях прием - хорош. Недостатки коротких волн удается ослабить, прежде всего, работой различными волнами в различное время года и суток.

Сейчас можно считать установленным, что чем больше расстояние, тем более короткой волной надо работать, что днем надо работать более короткой волной чем ночью, летом более короткой чем зимой. Чем короче волна, тем больше мертвая зона. Все эти основные данные и накопленный опыт дают возможность радиостанции связаться с корреспондентом, работая двумя или тремя, а то и четырьмя волнами в разное время. Для работы на расстояния в несколько тысяч километров наиболее удобным является диапазон волн 30-40 м, который главным образом и используется и трансатлантическими станциями и радиолюбителями для ночной работы. Днем и летом лучше переходить на более короткие волны. Наоборот, на близкие расстояния с большим успехом используются волны порядка 50-60 м. Особенно хороши короткие волны, если не требуется постоянной связи с корреспондентом, а удовольствуются лишь случайной связью и на короткое время. В этих случаях достаточно иметь передатчики в несколько ватт, а то и в несколько долей ватта, чтобы получить, ответ от корреспондента, находящегося на расстоянии в несколько тысяч километров.

Профессиональные (коммерческие) коротковолные радиостанции требуют постоянной связи в течение, по крайней мере, 12-18 часов, сутки, а то и более. Поэтому мощность их должна быть значительна (нормальная мощность - порядка 20 киловатт), волна их должна быть стабилизирована (т.е. оставаться строго постоянной во время работы), что достигается применением в качестве стабилизатора кварцевых кристаллов. Эти станции должны иметь также возможность работать несколькими волнами, и, в большинстве случаев, применяют сложные антенны для получения направленного действия.

Список литературы

1. Амалицкий М.В. «Основы радиотехники».

2. Батраков А.Д. «Элементарная радиотехника».

3. Кушнаренко Г.А. «Основы теории и практики радиосвязи»

Размещено на Allbest.ru