Многочисленные прямые исследования и косвенные эксперименты свидетельствуют о хаотическом турбулентном перемещении в тропосфере воздушных потоков. Эти перемещения обусловлены локальным изменением температуры, влажности и давления, что эквивалентно локальному изменению коэффициента преломления. Поэтому с физической точки зрения тропосфера представляет собой среду с неоднородным значением коэффициента преломления.
Радиоволна, проходя через неоднородности тропосферы, подвергается частичному рассеянию. Хорошим аналогом этого явления служит «световой столб» прожектора. Поток света прожектора, направленный в небо, благодаря рассеянию на мелких неоднородностях атмосферы виден с очень больших расстояний. Подобное явление можно наблюдать ночью над городом, когда городское освещение, преломляясь и рассеиваясь на мелких частицах пыли, создает над городом зарево.
Основной причиной, обусловливающей эффект рассеяния в тропосфере, является наличие диэлектрических неоднородностей, размеры которых превышают длину волны электромагнитного колебания. Поэтому эффект тропосферного рассеяния более интенсивен в диапазоне УКВ, чем в диапазоне КВ.
На рис. 4.14а показана схема линии радиосвязи, использующая эффект тропосферного рассеяния. Передающая станция N излучает узкий пучок (ширина диаграммы направленности составляет угол α) электромагнитного излучения, направленный вдоль поверхности земли. В результате переизлучения этой волны неоднородностями тропосферы образуется рассеянная волна, улавливаемая приемной антенной, размещенной в точке О. Эта антенна, как правило, также имеет большую направленность (ширина диаграммы направленности составляет угол α), также ориентированную по касательной к поверхности земли. Пересечение диаграмм направленности передающей и приемной антенн образует в тропосфере объем V, обычно называемый тропосферным объемом переизлучения.
Результаты теоретического анализа и многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что мощность рассеянной волны тем больше, чем меньше так называемый угол рассеяния θ (рис. 4.14б). Из некоторых теоретических работ следует, что напряженность электрического поля рассеянной волны зависит от угла рассеяния θ следующим образом: Е0 ~ θ-4. На практике в ряде случаев эта закономерность нашла хорошее подтверждение. Однако известно много других экспериментальных данных, в которых зарегистрирована другая функциональная зависимость напряженности поля рассеянной волны от угла рассеяния.
Как бы то ни было, любые экспериментальные и теоретические работы говорят о том, что с ростом угла рассеяния уровень напряженности рассеянного поля резко уменьшается. В этой связи становится ясно, что не все области объема V вносят равный вклад в рассеянное поле. Также достаточно очевидно, что наибольший вклад вносит та часть объема V, для которой характерны малые значения угла рассеяния θ. Эта область, получившая название эффективной части тропосферного объема, переизлучения Vэфф располагается в нижней части объема V, как это показано на рис. 4.14а.
Экспериментально было обнаружено, что уменьшение ширины диаграммы направленности антенны до некоторого угла α0 приводит к линейному росту мощности принимаемого сигнала, обусловленного рассеянной волной. Если и далее уменьшать ширину диаграммы направленности антенны, то уже не будет наблюдаться линейный рост мощности принятого сигнала. Вначале мощность сигнала будет еще несколько возрастать, а начиная с некоторого угла α0 практически остается неизменной. Это явление получило название потерь усиления антенн. Количественная оценка потерь усиления антенн приведена на рис. 4.14в.
На горизонтальной оси этого графика отложено значение коэффициента усиления антенны в свободном пространстве, а на вертикальной — реализуемое значение коэффициента усиления. Кривые, изображенные на рисунке, соответствуют различным процентам времени, в течение которого реальное значение коэффициента усиления не падает ниже уровня, указанного около каждой кривой. Отметим, что по данным, полученным для различных трасс, критический угол α0 составляет один-два градуса и несколько отличается для горизонтальной и вертикальной плоскостей.
Наиболее устойчивая радиосвязь, основанная на эффекте тропосферного рассеяния, наблюдается в том случае, когда обе диаграммы направленности (и передающей, и приемной антенн) направлены вдоль линии, соединяющей станции-корреспонденты. Угловое отклонение в ориентации максимумов диаграмм направленности обоих антенн не должно превышать α/4.
Использование этого вида радиосвязи требует применения антенн с высоким уровнем усиления, мощных передатчиков и чувствительных приемников. Эти требования, естественно, в сильной мере снижают практические возможности реализации радиолюбительской тропосферной радиосвязи. Однако следует отметить, что уже имеется опыт тропосферной радиолюбительской связи, осуществленной с территории Польши с заграничными радиолюбителями, который свидетельствует о том, что при помощи тропосферного рассеяния можно организовать достаточно устойчивую радиосвязь на сравнительно большие расстояния (свыше 500 км).
С целью информации читателя об уровнях затухания на трассах тропосферной радиосвязи на рис. 4.15 приведены графики изменения затухания, полученные для частоты f = 144 МГц для двух антенн, расположенных на высоте 50 м. Из графиков видно, что для расстояний, превышающих границу прямой видимости (r = 60 км), характер функции затухания резко изменяется. В этой области основным фактором, обусловливающим радиосвязь, является не дифракционная волна, огибающая поверхность земли, а волна рассеяния в тропосфере.
В заключение отметим, что качество связи зависит от многих факторов, в том числе и от времени года. Обычно в зимнее время года уровень сигнала на 10—15 дБ ниже уровня сигнала в летнее время. Необходимо также отметить, что резкого улучшения качества радиосвязи на тропосферных линиях можно достичь путем использования различных методов разнесенного приема.