Распространение пространственных радиоволн.

Радиоволны излучаются антенной и распространяются как вдоль земной поверхности (земные волны), так и вверх под различными углами к поверхности земли (пространственные волны).

Пространственная волна, попадая на ионосферу, меняет направление своего распространения. Это происходит потому, что более ионизированные слои имеют меньший показатель преломления среды, и радиоволны, преломляясь в сторону среды с большим показателем преломления возвращаются на Землю.

Пространственная волна, попадая на ионосферу преломляется тем сильнее, чем больше ионизирован ионосферный слой и чем меньше частота радиоволны.

Поскольку слои ионосферы имеют неодинаковую электронную концентрацию по высоте, угол преломления различен в каждой точке пути волны, и волна описывает плавную кривую при своем преломлении. Условно путь волны от земли к ионосфере и обратно изображают в виде прямых.

Можно рассмотреть два крайних случая преломления волны в ионосфере. При постоянной величине ионизации можно найти такую максимальную частоту излучения, при которой волна, посланная вертикально вверх, отклонится к Земле. Эта частота называется критической частотой Fкр..

Если частота излучения велика или ионизация недостаточна, волна, посланная в ионосферу под максимально острым углом относительно поверхности Земли, в силу недостаточного преломления не вернется к Земле.

О тражающая способность слоя зависит от плотности ионизации, длины волны и от угла, под которым волны достигают слоя. Для слоя данной плотности ионизации отражение происходит тем лучше, чем больше угол падения волны на слой и чем длиннее волна. Более короткие волны требуют для своего отражения или преломления большую плотность ионизации, чем волны более длинные при одном и том же угле падения.

Таким образом волна, излучаемая передатчиком под некоторым углом, достигает снова земли в точке на некотором расстоянии от передатчика. Это расстояние принято называть расстоянием скачка отраженного луча. На более близких к передатчику расстояниях пространственная волна не обнаруживается и, следовательно, связь на этих расстояниях пространственным лучом невозможна.

На расстояниях более близких, чем расстояние скачка, связь может осуществляться поверхностным лучом или совсем отсутствовать. Отрезок расстояния, где поле поверхностного луча уже отсутствует (вследствие затухания), пространственного луча еще нет, принято называть зоной молчания.

Зоны молчания не будет в том случае, если излучение происходит в зенит и рабочие частоты ниже критической вертикального падения.

2.3 Выбор частот для связи пространственным лучом.

Под действием различных излучений, и в первую очередь ультрафиолетового излучения Солнца, верхние слои атмосферы (на высоте 60 км и выше) ионизируются.

Днем, как правило, в летний период в ионосфере обычно образуются три ионизированных слоя F₂, F₁ и Е, способные отражать радиоволны определенных частот с максимумом ионизации на высотах примерно 300, 200 и 100 км соответственно. В другие периоды года слой F₁ практически отсутствует. Наибольшая плотность ионизации в слое F₂, наименьшая — в слое Е. На высоте примерно 60 км расположен слой D, который сильно поглощает энергию радиоволн, особенно на наиболее низких частотах КВ диапазона (рис. 1).

В северных широтах в полярный день ионосфера круглые сутки освещена Солнцем и все слои существуют круглосуточно.

Ночью, когда ионосфера не освещается Солнцем, степень ионизации всех отражающих слоев уменьшается. Слои F₂ и F₁ сливаются примерно на высоте слоя F₂. Значительно уменьшается ионизация слоев Е и D. Таким образом, в ночные часы ионосфера практически представлена только одним отражающим слоем F₂.

Так как степень ионизации ионосферы зависит от уровня ультрафиолетовой радиации Солнца, то, следовательно, характеристики ионосферы различны для различных географических районов. Они изменяются в течение суток и по сезонам года.

Радиация Солнца также не постоянна. Она имеет определенную цикличность — в среднем 11 лет. Соответственно с этим меняется и степень ионизации ионосферы. Периоды, когда ультрафиолетовая радиация Солнца наибольшая, называются максимумом солнечной активности. Периоды с наименьшей радиацией называются минимумом солнечной активности.

В отдельные периоды времени, длящиеся от нескольких минут до нескольких суток, наблюдаются значительные изменения состояния ионосферы — так называемые ионосферные возмущения.

Основными характеристиками ионосферы являются критическая частота f₀ и высоты отражения h' каждого слоя ионосферы.

Под критической частотой понимается наибольшая частота вертикально падающих на слой ионосферы радиоволн, при которой они еще могут отражаться. При наклонном падении волны от этого слоя могут отражаться радиоволны более высоких частот. Наивысшая частота радиоволны, отражающаяся от слоя при наклонном ее падении на данный слой, называется максимально применимой частотой (МПЧ).

В настоящее время большое количество ионосферных станций измеряют критические частоты отдельных слоев ионосферы и высоты отражения от этих слоев.

По данным ионосферных станций можно рассчитать МПЧ и выбрать рабочую частоту в зависимости от заданной дальности связи и возможностей передающей и приемной аппаратуры. Удобно и просто рассчитать МПЧ, используя график пересчетных коэффициентов (рис. 2),

если известны f₀ , высота отражающего слоя h' и заданная дальность связи, по формуле:

МПЧ = f₀ K,

где K—коэффициент, зависящий от высоты отражающего слоя h' и дальности связи.

Выбирая рабочие частоты, следует иметь в виду, что степень ионизации и высота ионизированных слоев изменяются во времени. При выборе рабочей частоты, равной МПЧ, имеется большая вероятность того, что в отдельные промежутки времени она окажется выше максимальной частоты для данного слоя и отражения волн не будет. Это приведет к нарушению связи. Поэтому верхнюю границу диапазона рабочих частот выбирают примерно на 15— 20% ниже МПЧ — оптимальные рабочие частоты (ОРЧ).

Другим пределом, ограничивающим величину нижнего значения рабочей частоты (НПЧ), является поглощение радиоволн в ионосфере. Чем меньше значение рабочей частоты по сравнению с МПЧ, тем больше поглощение и, следовательно, чтобы обеспечить необходимую надежность связи потребуется увеличить мощность передатчика. Практически в дневное время не следует выбирать рабочие частоты ниже 0,5... 0,6 от МПЧ

Для определения критических частот и высоты отражения каждого из слоев в Вооруженных силах организованна ионосферно - волновая и частотно - диспетчерская служба. Эта служба занимается обеспечением узлов связи долгосрочными и краткосрочными прогнозами, перечнями групповых резервных частот, перечнями запрещенных частот, расписанием передачи контрольно-маркерных сигналов и другими документами.