1-1. Распространение электромагнитных волн

Энергия, излучаемая передающей антенной, распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн.

Электромагнитные волны описываются следующими характеристиками.

Длина волны λ — кратчайшее расстояние между двумя точками в пространстве, на котором фаза электромагнитной волны меняется на 2π.
Частота f — число полных периодов изменения напряженности поля в единицу времени.
Скорость распространения волны С — скорость распространения последовательности волн от источника энергии.

Частота электромагнитных волн, скорость распространения и длина волны связаны соотношением $\lambda=\frac{C}{f}$.

Единицей измерения частоты является герц (гц); 1 гц — одно колебание в секунду, 1 кгц (1 килогерц) — 1 000 гц, 1 Мгц (1 мегагерц) — 1 000 кгц — 1 000 000 гц.

Скорость распространения электромагнитных волн в пустоте — 300 000 000 м/сек. Подставляя значение скорости распространения в формулу для длины волны, получаем:

$$\lambda[м]=\frac{300000000[м/сек]}{f[гц]},$$ или $$\lambda[м]=\frac{300000[км/сек]}{f[кгц]},$$

Частота определяется по формуле

$$f[кгц]=\frac{300000[км/сек]}{\lambda[м]}.$$

Радиосвязь между двумя пунктами, расположенными на поверхности земли, осуществляется пространственными или поверхностными волнами. Дальность распространения поверхностных волн среднего любительского передатчика равна 10 км (максимум 100 км). В радиолюбительской практике поверхностные волны для связи не применяются, так как они распространяются вдоль земной поверхности и в коротковолновом диапазоне испытывают сильное поглощение. Связь на большие расстояния при малых мощностях передатчиков становится возможной благодаря пространственным волнам, которые отражаются от ионосферы.

Благодаря наличию электрически заряженных частиц верхние слои атмосферы проводящие и обладают свойством отражать радиоволны. Область атмосферы, в которой происходит ионизация, называется ионосферой. Существует два четко выраженных максимума ионизации: один на высоте от 90 до 170 км, так называемый слой Е, и слой F, который начинается на высоте 200 км и продолжается до высоты 500 км. Слой F расщепляется на два слоя — F₁ (от 200 до 300 км) и F₂ (от 300 до 500 км). Выше ионосферы находится так называемая «экзосфера», которая является преддверием космического пространства. Экзосфера еще сравнительно слабо исследована, и только обработка измерений, произведенных при помощи искусственных спутников Земли, позволила предположить, что концентрация электронов в экзосфере значительно выше, чем предполагалось до сих пор. Самый нижний слой ионосферы, слой D, ежедневно возникает на высоте от 40 до 60 км.

Строение ионосферы непрерывно изменяется, и поэтому не следует понимать строение ионосферы (рис. 1-1) как неподвижную систему расположенных друг над другом слоев. Различаются изменения строения ионосферы, имеющие суточную, годичную периодичность, а также изменения, связанные с периодом солнечной активности. Максимум солнечной активности совпадает с возникновением на Солнце факелов и протуберанцев и имеет период, равный приблизительно 11 годам. Вследствие увеличения солнечной активности увеличивается интенсивность коротковолнового светового излучения и происходит более интенсивная ионизация верхней атмосферы. Изменение концентрации электронов в свою очередь приводит к изменению отражающей способности ионизированных слоев. Годичные и ежедневные изменения состояния ионосферы становятся объяснимыми, если учесть, что в зимние месяцы воздействие солнечного излучения на ионосферу менее длительно и интенсивно, чем в летние месяцы; таким же образом сказывается недостаточное ультрафиолетовое излучение в ночные часы.

Слой D, находящийся в относительно плотных слоях атмосферы, имеет максимальную электронную концентрацию1 в дневные часы, а с заходом Солнца электронная концентрация быстро уменьшается до нулевого значения. В слое D сильное ослабление испытывают радиоволны средневолнового диапазона, а также длинноволновой части коротковолнового диапазона. Уменьшение дальности распространения в диапазонах 160 и 80 м, а также ухудшение приема средневолновых станций в дневные часы в основном объясняется поглощением этих волн в слое D. В зимние месяцы, когда слой D ионизирован слабее, наблюдается увеличение дальности распространения этих волн в дневные часы. Слой Е, находящийся выше слоя D, в ночные часы исчезает частично. Волна длины 80 м частично поглощается в слое Е, а волна длины 40 м при достаточной электронной концентрации отражается.

Основное значение для распространения электромагнитных воли имеет слой F, так как благодаря ему увеличивается дальность связи на коротких волнах. В дневные часы слой F под воздействием интенсивного ультрафиолетового излучения распадается на два отдельных слоя F₂ и F₁. Основным отражающим слоем является слой F₂. Слой F₁ не имеет такого значения, а даже напротив, в нем происходит дополнительное поглощение энергии радиоволн, отраженных от слоя F₂.

Волны, излучаемые антенной и проникающие в ионосферу, достигнув определенной высоты, на которой электронная концентрация достаточно велика, отражаются обратно к Земле. Чем выше частота волны, тем больше должна быть необходимая для отражения электронная концентрация. Отражение происходит с потерями энергии, причем волны, имеющие низкие частоты, испытывают большее поглощение, чем более высокие. Так, волны частоты ниже 2 Мгц днем вообще не отражаются, и только при уменьшении электронной концентрации в ночные часы отражение волн этих частот становится возможным. Сверхвысокочастотные волны не отражаются и днем, а, пройдя слои ионосферы, уходят в космическое пространство.

Вследствие изменяющегося строения ионосферы приведенное описание не дает полной, картины происходящих в ионосфере процессов; здесь приведены лишь сведения, необходимые для понимания последующих разделов.

Вертикальный угол излучения

Для получения наибольшей дальности связи в коротковолновом диапазоне можно указать определенные оптимальные углы излучения антенны; они зависят от рабочей частоты передатчика, а также от высоты и электронной концентрации отражающего слоя. Из рис. 1-2 видно, какие вертикальные углы излучения следует выбирать для пространственных волн.

Если угол излучения относительно большой, то основное излучение антенны, попав в слой F₂ и отразившись, возвращается на Землю на сравнительно небольшом расстоянии d₁ от передатчика. Работа с такой антенной дает уверенную связь на небольших расстояниях, но не дает возможности проводить дальние связи. Антенна с несколько более пологим углом излучения α₂, дает значительно большее расстояние (скачок) d₂. С увеличением числа скачков увеличивается дальность связи. Однако при этом следует учитывать, что каждый скачок уменьшает энергию радиоволн, так как каждое прохождение через ионизированные слои сопровождается поглощением.

Очевидно, что для дальних связей оптимальным является очень пологий угол α₃.

Излучение коротковолновых антенн всегда занимает более или менее широкий вертикальный сектор, в пределах которого имеется один или большее число лепестков диаграммы направленности. Конечно, невозможно построить антенну в любительском коротковолновом диапазоне, которая излучала бы электромагнитные волны в резко ограниченном угле, как, например, в дециметровом диапазоне. Насколько антенна пригодна для дальних связей, можно определить по тому, насколько прижаты к земле основные лепестки диаграммы направленности этой антенны. Вертикальный угол наклона диаграммы направленности сильно зависит от высоты подвеса антенны и проводимости земли. На рис. 1-3 показано, на какие углы наклона α при различных высотах подвеса антенны А можно рассчитывать в каждом любительском диапазоне.

Так как ионосфера подвержена постоянным изменениям, то и оптимальные углы для каждого диапазона меняются. В табл. 1-1 приведены оптимальные секторы углов излучения, в пределах которых можно рассчитывать на устойчивые дальние связи в каждом любительском диапазоне.