Материал: 751

80–100 км. Условия распространения при этом такие же, как и в сферическом волноводе: есть даже критическая длина волны (~100 км).

Расч¸т радиолиний на СДВ и ДВ обычно проводится по эмпирическим формулам, чаще всего по формуле Остина [1]

Здесь мощность Ð подставляется в киловаттах; расстояние r и длина волны — в километрах; угол — геоцентральный угол между точками излучения и приема: r/R0; R0 — радиус Земли. Действующее значение напряженности электрического поля в формуле (6.1) определяется в милливольтах на метр.

Особенностью формулы Остина является необычная зависимость напряженности поля от расстояния. В противоположной точке Земли — точке антипода — формула Остина дает бесконечное значение поля, так как 180°. В действительности в этой точке наблюдается некоторое увеличение поля, поскольку в нее приходят в фазе волны, обогнувшие Землю с разных направлений. Это явление получило название «эффект антипода». Реально формулой Остина пользуются на расстояниях от 2 до 18 тыс. км.

Основное преимущество линий связи на ДВ и СДВ — большая устойчивость напряж¸нности электрического поля. Вели- чина сигнала мало меняется в течение суток и в течение года и не подвержена случайным изменениям.

Основной недостаток — ограниченный частотный диапазон, а также необходимость использовать громоздкие антенны. Во всем частотном диапазоне СДВ и ДВ (3 кГц — 300 кГц) не разместится даже один телевизионный канал, который требует полосы 8 МГц.

На СДВ иногда наблюдается интересное явление — «свистящие атмосферики». Оно проявляется в появлении в приемнике характерного свиста, частота которого постепенно понижается. Причиной появления «атмосфериков» являются грозовые разряды в другом полушарии Земли. Как отмеча- лось при изучении ионосферы, магнитное поле Земли вызывает расщепление волны на обыкновенную и необыкновенную.

Анализ показателя преломления необыкновенной волны (см. формулу (5.41)) при частотах, меньших плазменной, показывает, что он не обращается в нуль ни при какой электронной концентрации. Это означает, что такие сверхнизкие частоты могут пронизывать ионосферу, удаляться от Земли на десятки ее радиусов и возвращаться на Землю вдоль магнитных силовых линий Земли. Понижение частоты звучания «атмосферика» связано с сильной дисперсией этих частот в ионосфере. Более высокие частоты имеют большую скорость и раньше приходят в пункт приема, чем низкие. Изучение «свистящих атмосфериков» дает научную информацию о состоянии атмосферы на больших расстояниях от Земли.

Устойчивость сигнала на ДВ и СДВ объясняет их широкое применение для построения навигационных систем. Однако суточные изменения слоя D приводят к изменению высоты сферического волновода, в котором распространяются эти волны на большие расстояния. Это, в свою очередь, вызывает изменение фазовой скорости, что приводит к ошибкам в определении местоположения объекта.

Несмотря на крайнюю ограниченность частотного диапазона, длинные и сверхдлинные волны находят очень важное применение. Кроме радионавигации, они используются для обеспечения надежной радиотелефонной и телеграфной связи на дальние расстояния и радиовещания. Кроме того, они могут использоваться для связи с подводными объектами, например подводными лодками, поскольку только волны этих диапазонов (наряду с оптическими) испытывают относительно слабое поглощение в морской воде.

6.2. Особенности распространения средних волн

К средним волнам (СВ) относятся радиоволны длиной от 100 до 1000 м (частоты 0,3–3 MГц). Средние волны могут распространяться как земные и как ионосферные.

Напряженность электрического поля земных радиоволн СВ-диапазона для малых расстояний (до 200 км) рассчитывают по формуле Шулейкина — Ван-дер-Поля, а для больших

расстояний — по дифракционным формулам (см. подразд. 2.6). Средние волны испытывают существенное поглощение земной поверхностью и поэтому СВ-радиолинии, использующие земные радиоволны, имеют протяж¸нность не более 700 км. Все особенности распространения земных радиоволн при низко расположенных антеннах, рассмотренные ранее, проявляются именно в диапазоне средних волн.

Ионосферная волна способна отразиться лишь при концентрации, свойственной слою Å. Через слой D (самый низкий) волна проходит и сильно в н¸м поглощается. Слой D ионосферы появляется только дн¸м, и поэтому ночью поглощение средних волн в ионосфере значительно уменьшается.

Если пункт приема находится в зоне действия земной волны, то с наступлением темноты в эту точку начинает попадать также и ионосферная волна. Интерференция земной и ионосферной волн приводит к замираниям — случайным колебаниям поля сигнала. Для замираний еще употребляется термин «фединг». В случае когда приемная станция расположена вне области действия земных радиоволн, замирания обязаны своим происхождением интерференции ионосферных волн, претерпевших разное число отражений от ионосферы. Для борьбы с замираниями на средних волнах применяются специальные антенны, у которых максимум диаграммы направленности прижат к земной поверхности, — так называемые антифединговые антенны.

Только в диапазоне средних волн наблюдается сравнительно редкое явление — перекрестная модуляция. Оно проявляется в том, что сигнал мощной радиостанции модулирует своим полем число соударений электронов с нейтральными молекулами. В результате в такт с сигналом мощной радиостанции изменяется поглощение радиоволн других станций. В этом проявляются нелинейные свойства ионосферы — поглощение зависит от напряженности поля волны мощной радиостанции. Впервые этот эффект наблюдался в 1924 году после начала работы крупной радиостанции в городе Горьком (ныне Нижнем Новгороде), которая модулировала своим сигналом передачи радиостанции в Люксембурге. Поэтому данный эффект называется также Люксембург-Горьковским эффектом.

Действенных мер борьбы с этим эффектом не существует, и на практике ограничиваются рекомендациями использовать на мощных станциях антифединговые антенны.

Средние волны используются, главным образом, в радиовещании. В заключение сформулируем кратко особенности распространения средних волн.

1.На небольших расстояниях (до 1000 км) от передатчика преобладает земная волна. Связь устойчивая и не зависит от времени суток и года. Расчет напряженности поля можно вести по формуле Шулейкина — Ван-дер-Поля (для расстояний, меньших 200 км) или по дифракционной формуле и графикам, составленным на ее основе (см. разд. 3).

2.На больших расстояниях от передатчика связь осуществляется только ионосферной волной. Поэтому днем связь практически отсутствует (из-за поглощения в слое D), ночью диапазон «оживает». Связь относительно устойчивая, замирания вызваны приходом в точку наблюдения нескольких волн, претерпевших разное число отражений от Земли и ионосферы.

3.В промежуточной области днем прием идет на земную волну и ослабленную в слое D ионосферную. Интерференция этих небольших по интенсивности волн приводит к значительным колебаниям уровня сигнала — замираниям. Ночью ионосферная волна преобладает над земной. Связь становится более устойчивой.

4.Расчет напряженности поля ионосферных волн ведут по эмпирическим формулам или по графикам, составленным на основе экспериментальных данных [1, 4, 12].

6.3.Распространение коротких волн

Êкоротким волнам (КВ) относятся радиоволны с длиной волны от 10 до 100 м (частоты 3–30 MÃö).

Слабовыраженная дифракция и сильное поглощение земных волн приводят к тому, что короткие волны как земные могут распространяться лишь на расстояния порядка десятков километров.

Основной интерес для радиосвязи представляют ионосферные волны. Короткие волны проходят слои D è E, испытывая в

них поглощение, отражение происходит от слоя F. Распространение ионосферных коротких волн имеет ряд особенностей. Рассмотрим основные из них.

1.Распространение радиоволн на большие расстояния происходит путем последовательных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Радиоволна как бы совершает скачки с Земли к ионосфере и обратно. Длина одного скачка зависит от высоты отражающего слоя и угла падения волны на ионосферу. Максимальные скачки получаются, если излучение направлено вдоль Земли. За один такой скачок волна покрывает рас-

стояние от 3000 км при отражении от слоя F1 до 4000 км при отражении от слоя F2 .

2.Способность коротких волн распространяться, как ионосферные, на большие расстояния объясняется их слабым затуханием в ионосфере. Как было установлено в подразд. 5.5, поглощение на высоких по сравнению с числом соударений частотах обратно пропорционально квадрату частоты. Именно этот случай характерен для коротких волн.

3.Ограниченность рабочего диапазона. В диапазоне коротких волн существуют понятия максимально применимой ча- стоты (МПЧ) и наименьшей применимой частоты (НПЧ). Существование МПЧ объясняется с помощью закона секанса (см. формулу (5.24)). Из него следует, что для заданного расстояния, меньшего длины одного скачка, и для заданной электронной концентрации слоя существует максимальная частота, способная от него отражаться. Существование НПЧ объясняется частотной зависимостью поглощения в ионосфере. При понижении частоты поглощение быстро увеличивается, уровень сигнала в точке приема уменьшается, и при НПЧ напряженность поля принимает пороговое значение, ниже которого прием невозможен. Очевидно, что и МПЧ, и НПЧ зависят от параметров ионосферы: электронной концентрации и числа соударений. НПЧ зависит также от параметров аппаратуры: излучаемой мощности, чувствительности приемника и т.п. Для коротковолновых линий радиосвязи актуальна проблема правильного выбора оптимальной рабочей частоты для радиосвязи (ОРЧ). Поскольку концентрация электронов в слое F меняется в течение суток, то существуют так называемые дневные (длины волн 10–25 м) и ночные (35–100 м) волны.