Дифракция и нормальная атмосферная рефракция могут объяснить возможность регулярного приема УКВ на расстояниях, незначительно превышающих пределы прямой видимости. Но в последнее время было обнаружено, что при применении остронаправленных антенн и передатчика достаточной мощности можно осуществить регулярную работу УКВ радиолиний протяженностью 300—800 км. Такая возможность обусловлена рассеянием (переизлучением) радиоволн на неоднородностях тропосферы.
Процесс рассеяния радиоволн можно представить себе следующим образом. Тропосфера неоднородна по своему строению, она представляет собой совокупность неустойчивых воздушных объемов — неоднородностей, в которых коэффициент преломления воздуха отличается на некоторую небольшую величину от среднего значения. Эти неоднородности непрерывно флуктуируют, т. е. их плотность, форма и размеры непрерывно меняются. Радиоволна, падающая на эти неоднородности, наводит в каждой из них токи, которые, в свою очередь, излучают примерно как антенны. Таким образом, неоднородности играют роль своеобразных ретрансляторов.
Основную роль в рассеянии радиоволн играют неоднородности, размеры, которых составляют 50—60 м и во много раз превышают длину волны. При рассеянии радиоволн на каплях воды размеры неоднородностей много меньше длины волны и рассеиваемые волны распространяются равномерно во все стороны. При условиях, имеющих место в тропосфере, рассеяние происходит в пределах угла, составляющего несколько градусов с направлением падающей волны. Поэтому основная часть энергии волны проходит сквозь рассеивающую область и не может быть использована для приема. Только небольшая часть энергии возвращается на Землю, где она может быть принята.
На рис. 49 показана схема работы линии радиосвязи при использовании тропосферного рассеяния. Передающая антенна облучает некоторый участок тропосферы, называемый рассеивающим объемом. Приемная антенна как бы «собирает» рассеянные волны. Таким образом, на приемную антенну приходят волны не от точечного источника, каким можно считать передающую антенну, а от источника, распределенного по значительному объему пространства.
Напряженность поля рассеянного сигнала подвержена замираниям, получающимся в результате сложения колебаний, приходящих от разных участков рассеивающего объема. Частота замираний увеличивается с увеличением скорости ветра и укорочением волны. Чем больше скорость ветра, тем быстрее и существеннее изменения в структуре тропосферы, а чем короче длина волны, тем при меньших изменениях в тропосфере изменяется фаза радиоволны. Моменты замираний не совпадают в различных точках пространства. Это позволяет применять для борьбы с замиранием прием на разнесенные антенны. Антенны разносят на расстояние 25—100λ и используют наибольший из двух сигналов.
Рассеяние УКВ в тропосфере вызывает некоторые ограничения в передаваемой ширине полосы частот, связанные с возможностью нескольких путей прохождения радиоволн. Наиболее короткий путь проходит по нижней части рассеивающего объема, а наиболее длинный — по его верхней части. Поэтому один сигнал запаздывает по отношению к другому, что вызывает удлинение передаваемого импульса, а это эквивалентно сужению полосы частот. Ширина полосы частот Δf может быть ориентировочно определена из соотношения
$$
\begin{equation}
\Delta f=\frac{c}{\Delta r}
\tag{25}
\end{equation}\label{eq.25}
$$
где с — скорость света; Δr — разность в длинах путей, проходимых различными волнами в пределах ширины диаграммы направленности.
Из рис. 49 видно, что Δr=АВ1Б—АВ2Б. Чем шире диаграммы направленности антенн, тем больше Δr, а следовательно, тем меньшую полосу частот можно передать без искажения. Стремление передать более широкую полосу частот приводит к необходимости применения остронаправленных антенн с шириной диаграммы направленности в один или несколько градусов. Практически оказывается возможным передать полосу частот до 1—2 МГц.
Многолетняя экспериментальная работа по исследованию полей радиоволн, рассеянных неоднородностями тропосферы, и изучению работы радиолиний тропосферного рассеяния проводилась под руководством Б. А. Введенского и М. А. Колосова. В результате этой работы ими был предложен метод расчета таких радиолиний.
Ослабление мощности волны при распространении, выраженное в децибелах, определяют по формуле
$$
\begin{equation}
B=10\lg\frac{P_\text{пр}}{P_\text{пр\medspace 0}}
\tag{26}
\end{equation}\label{eq.26}
$$
где Рпр — мощность, получаемая на входе приемного устройства при тропосферном распространении, а Рпр 0 — при распространении на то же расстояние в свободном пространстве (рассчитывается по формуле (3)).
Величина В складывается из следующих величин:
$$B=B_\text{с}+\Delta B_\text{м}+\Delta B_\text{р}+\Delta B$$
где Вc — ослабление для заданного расстояния и длины волны при среднем состоянии тропосферы и гладкой ее поверхности; ΔВм — поправка на метеорологические условия; ΔВр — поправка на рельеф местности; ΔВ — поправка, учитывающая замирания. Для определения всех этих коэффициентов существуют графики. На рис. 50 приведен только график зависимости Вс от расстояния для волн длиной от 3 до 150 см, которые применяются на этих радиолиниях. Видно, что чем короче длина волны, тем меньше мощность принятого сигнала, причем разница растет с увеличением протяженности радиотрассы. На расстоянии 700 км мощность (или напряженность поля) рассеянного сигнала на 90—150 дБ ниже, чем была бы в свободном пространстве.
Быстрое убывание напряженности поля и сильные замирания предъявляют высокие требования к аппаратуре. Приходится применять передатчики значительной мощности (более 10 кВт) и остронаправленные антенны. Сконструировать остронаправленные антенны легче для более коротких волн. Чем короче волна, тем меньше могут быть размеры антенны для создания диаграммы направленности определенной ширины. Поэтому для передачи путем рассеяния применяются дециметровые и сантиметровые волны.
Параболическая антенна, использующаяся на одной линии связи рассматриваемого типа, имеет коэффициент усиления, равный 10 000. Антенна состоит из облучателя и параболического отражателя. Отражатель, диаметр которого равен 18 м, сконструирован из алюминиевых трубок. Такая антенна представляет собой сложное сооружение массой более 1 т. Она должна быть очень прочной, чтобы выдержать напор ветра.
Явление тропосферного рассеяния с успехом используется для создания ретрансляционных линий. Несмотря на то, что при этом требуются мощные передатчики, сложные антенны и чувствительные приемные устройства, создание таких линий оказалось экономически выгодным. Этот способ передачи позволил размещать промежуточные станции на расстоянии не 50—70 км, как обычно, а 200—800 км и, следовательно, сократить число необходимых ретрансляционных станций, что особенно важно в малонаселенных районах и на море. Линии, использующие тропосферное рассеяние, применяются главным образом для многоканальной радиосвязи. Они работают очень надежно, не подвержены каким-либо нарушениям радиосвязи. Понятно, что сложность аппаратуры не позволяет использовать этот вид распространения радиоволн для радиолюбительской радиосвязи.