Распространение радиоволн

Расстояние, на котором возможно осуществление радиосвязи, зависит от выбранного диапазона, мощности передатчика, чувствительности приемника, типа и размещения антенн, условий распространения. Для конкретного радиооборудования и антенн, установленных на судне, основным фактором, определяющим дальность связи в конкретный момент времени, является выбранная частота связи.

Типы волн

При упрощенном рассмотрении распространения радиоволн, излучаемых передающей антенной, их можно подразделить на три типа:

- поверхностные волны (surface waves);

- ионосферные волны (sky waves) ;

- прямые волны (space waves).

Поверхностные волны распространяются вдоль поверхности земли. При этом с ростом частоты увеличивается поглощение энергии волны землей и дальность распространения уменьшается. Поверхностные волны являются доминирующими для радиоволн частотой до 3 МГц. Причем более длинные волны легко огибают препятствия, а также огибают Землю, проходя за линию горизонта.

Ионосферные волны характеризуются наличием и свойствами ионосферы. Ионосфера - это часть атмосферы, находящаяся на высоте от 60 до 800 км и характеризующаяся малой плотностью газа. Под действием солнечной радиации молекулы газа ионизируются, то есть распадаются на ионы и свободные электроны. Ионизированный газ обладает свойством электропроводности и может отражать радиоволны. Ионосфера неоднородна; некоторые ее слои ионизированы наиболее сильно. На Рис. ниже показано расположение трех основных слоев ионосферы: D, E и F.

Рис.2.3. Расположение слоев ионосферы

Степень ионизации атмосферы зависит от интенсивности солнечной радиации и изменяется в различное время суток и года. Днем и в летнее время проводимость и толщина ионизированных слоев увеличивается, а ночью и в зимнее время степень ионизации уменьшается. Ионизация также изменяется вместе с солнечной активностью с периодом 11 лет (последний пик активности наблюдался в 2001 году); с ростом числа солнечных пятен активность слоев растет. Слои D и Е ночью исчезают, а слой F днем делится на два слоя: F1 и F2. Более низкие частоты отражаются нижними, менее ионизированными, слоями ионосферы, а более высокие частоты проходят сквозь нижние слои и отражаются более высокими слоями

Наиболее важные слои ионосферы находятся на следующей высоте:

- слой D - 50-90 км;

- слой E - 120 км;

- слой F1 - 200 км;

- слой F2 - 300-400 км.

Наибольшая частота, которая отражается от ионосферы в данный промежуток времени, называется «максимальной применимой частотой» (MUF – Maximum Usable Frequency). Эта частота зависит от времени суток, времени года, направления передачи и солнечной активности. Таким образом, каждый слой в каждое время имеет свою граничную частоту, являющуюся наивысшей частотой, отражающейся в данное время от этого слоя. Частоты выше этой частоты проходят сквозь слой без отражения.

Частоты выше 30 МГц всегда проходят сквозь все слои ионосферы, не отражаясь. На практике важно выбрать так называемую оптимальную частоту связи (OTF - Optimum Traffic Frequency), которая примерно на 15% ниже MUF частоты.

Ионосферные волны являются доминирующими при распространении радиоволн в диапазоне от 3 до 27,5 МГц (короткие волны). Дальнее распространение коротких волн, учитывая, что они хорошо отражаются от земли, может происходить путем нескольких последовательных отражений от ионосферы и земли.

Зона отсутствия приема

Расстояние от передающей антенны до ближайшей точки на поверхности земли, в которую возвращается отраженная от ионосферы волна, называется «расстоянием скачка» (skip distance). Другими словами, это рассстояние от передатчика до первой зоны хорошего приема ионосферной волны.

Зона отсутствия приема между точкой полного затухания поверхностной волны и первой зоной хорошего приема ионосферной волны называется зоной отсутствия приема (skip zone) или «мертвой зоной».

Рис. 2.4. Зона отсутствия приема

На рисунке 2.4 показаны пути распространения поверхностной и ионосферной волн. Ионосферная волна в точке 1 не отражается от ионосферы из-за большого угла излучения (угол между горизонталью и направлением излучения). В точке 2 угол излучения достигает критической величины, когда начинается отражение от ионосферы. Сигналы отраженной волны могут быть приняты в точке 3. Излучение под меньшими углами ведет к тому, что отраженная волна приходит на землю на еще большем расстоянии от передающей антенны. Критический угол, при котором начинается отражение волны для конкретного слоя, зависит от рабочей частоты и уменьшается с ее увеличением. Расстояние скачка увеличивается с частотой (смотри рисунок 2.5).

Рис. 2.5. Зависимость расстояния скачка от частоты

Прямые волны, или волны, распространяющиеся на расстояние прямой видимости, являются доминирующими на частотах выше 30 МГц. Волны этих частот не отражаются от ионосферы, проходя сквозь нее, а также не огибают земную поверхность и препятствия. Связь на этих волнах осуществляется на расстоянии прямой видимости при их распространении вдоль поверхности земли. Кроме того, прошедшая через ионосферу волна может быть принята спутником. Спутник осуществляет ретрансляцию этой волны на землю. Для спутниковой связи важно, чтобы между антенной спутниковой станции и спутником не было препятствий (например, труба или мачта).

Распространение средних и промежуточных волн

Средние и промежуточные волны днем распространяются практически за счет поверхностных волн. При этом они испытывают поглощение землей и слоем D ионосферы. Поглощение землей увеличивается с ростом частоты. Дальность связи составляет 100-150 морских миль и в большой степени зависит от выходной мощности передатчика. Вечером после захода солнца слой D исчезает и пространственный луч отражается от более высокого слоя F и возвращается на землю. За счет этого дальность связи в ночное время может увеличиваться до 300-450 миль.

Распространение коротких волн

Короткие волны сильно поглощаются землей при распространении вдоль земной поверхности. Поэтому дальность действия поверхностных волн составляет не более 100 миль. Дальнее распространение коротких волн связано с ионосферными волнами. Причем днем более низкие частоты коротковолнового диапазона сильно поглощаются слоями D и Е, а ночью, когда ионизация слабее, более высокие частоты слабо отражаются от слоя F, проходя сквозь него. Поэтому для связи днем используют более высокие частоты, а ночью - более низкие. За счет нескольких последовательных отражений волны от слоев ионосферы и от Земли в диапазоне коротких волн обеспечивается дальняя связь.

Приведенная ниже таблица может быть использована для выбора нужного диапазона частот для связи в данный момент. Следует иметь ввиду, что это достаточно грубая оценка, так как на практике распространение радиоволн в КВ диапазоне зависит от многих факторов.

Распространение ультракоротких волн

Ультракороткие волны (УКВ) распространяются на расстояние прямой видимости. Они не огибают препятствия и земную поверхность. Дальность связи определяется высотой антенн на передающей и приемной стороне и вычисляется по формуле:

L (km) = 4.1 x (Ö H1 + Ö H2 ),

где Н1 и Н2 - высоты передающей и приемной антенн в метрах.

Средняя дальность связи составляет 20-30 морских миль.

Рис. 2.6. Распространение УКВ волн.