Физические явления при распространении радиоволн. Траектории распространения радиоволн.
В процессе распространения, радиоволны испытывают ослабление, связанное с рядом причин. По мере удаления от передатчика энергия распространяется все в большем объеме, следовательно, плотность потока энергии уменьшается. Среда, в которой распространяются радиоволны, также вызывает их ослабление. Это связано с поглощением энергии волн вследствие тепловых потерь и уменьшением напряженности поля волны при огибании препятствий в виде выпуклости земного шара или возвышенностей.
В каждой точке пространства вектор напряженности электрического поля волны Е перпендикулярен вектору напряженности магнитного поля Н, и оба вектора перпендикулярны направлению распространения волны.
Распространение радиоволн подчиняется определенным общим законам:
- Прямолинейное распространение в однородной среде, т.е. среде, свойства которой во всех точках одинаковы.
- Отражение и преломление при переходе из одной среды в другую. Угол падения равен углу отражения.
- Дифракция. Встречая на своем пути непрозрачное тело, радиоволны огибают его. Дифракция проявляется в разной мере в зависимости от соотношения геометрических размеров препятствия и длины волны.
- Рефракция. В неоднородных средах, свойства которых плавно изменяются от точки к точке, радиоволны распространяются по криволинейным траекториям. Чем резче изменяются свойства среды, тем больше кривизна траектории.
- Полное внутреннее отражение. Если при переходе из оптически более плотной среды в менее плотную, угол падения превышает некоторые критические значения, то луч во вторую среду не проникает и полностью отражается от границы раздела сред. Критический угол падения называют углом полного внутреннего отражения.
- Интерференция. Это явление наблюдается при сложении в пространстве нескольких волн. В различных точках пространства получается увеличение или уменьшение амплитуды результирующей волны в зависимости от соотношения фаз складывающихся волн.
Радиоволны, распространяющиеся у поверхности земли и, вследствие дифракции, частично огибающие выпуклость земного шара, называются поверхностными волнами. Распространение поверхностных волн сильно зависит от свойств земной поверхности.
Радиоволны, распространяющиеся на большой высоте в атмосфере и возвращающиеся на землю вследствие отражения от атмосферных неоднородностей, называются пространственными волнами.
Максимально применимая частота (мпч). Распространение радиоволн с частотой выше и ниже мпч.
Коэффициент МПЧ - Отношение максимальной применимой частоты при передаче на расстояние ионосферного скачка к критической частоте радиоизлучения, определяемой в средней точке расстояния скачка .Оптимальная рабочая частота радиоизлучения ОРЧ- Частота радиоизлучения ниже максимальной применимой частоты, на которой может осуществляться устойчивая радиосвязь в определенных геофизических условиях .
Начиная с УКВ волны, частота которых выше максимально применимой частоты (МПЧ), проходят через ионосферу. Волны, частота которых ниже МПЧ, отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю.
Ионизированные слои отражают далеко не все радиоволны. Чем ниже частота, тем сильнее поглощение радиоволн в ионосфере - оно пропорционально 1/f2 и может быть столь значительным, что отраженный сигнал из-за этого вообще не удается обнаружить. чем выше частота (короче длина волны), тем лучше отражение.. Однако для каждого слоя существует верхняя граница по частоте (критическая частота fкр ), до которой он отражает вертикально посланные радиоволны (рис. 17). При пологом падении волны на слой отражаются волны и с большими частотами, но и здесь есть своя верхняя граница. Если радиопередатчик посылает волну касательно к поверхности Земли (к горизонту), то можно определить максимально применимую частоту (МПЧ), выше которой ионизированный слой становится прозрачным для радиоволн, перестает их отражать, и они беспрепятственно уходят в космос.
Ультракороткие волны, например, ионосферой не отражаются, их частоты лежат выше МПЧ. Поэтому-то на УКВ московские радиостанции (любимое многими FM) слышны в основном только в самой Москве и области, да и то далеко не всей. УКВ распространяются только в пределах прямой видимости, ну и ещ╦ совсем чуть-чуть за горизонт. Чтобы расширить зону действия УКВ радиостанций, их антенны помещают на высоченных мачтах (вспомните Останкинскую башню). Телецентры вещают тоже на УКВ, и для них все это так же верно.
МПЧ сильно зависит от времени суток, времени года и от солнечной активности. Во время "возмущенного" состояния Солнца с его поверхности извергаются потоки заряженных частиц, возрастает и поток ультрафиолетового излучения. Все это приводит к возрастанию концентрации электронов в ионосфере Земли и к повышению МПЧ. Максимумы солнечной активности соответствуют 11-летнему циклу, последний был в 1992 г., а следующий попадает на 2003-й.
Дальность распространения средних волн "одним скачком" определяется радиусом Земли и высотой слоя Е (около 120 км), она составляет 2500...3000 км. А днем волне, чтобы отразиться от слоя Е и вернуться снова на землю, надо дважды пройти через слой D. При этом она сильно поглощается, и к радиослушателю практически ничего уже не приходит. Поэтому-то на средних волнах днем слышны только местные станции.
Короткие волны отражаются преимущественно слоем F, хотя возможны отражения и от более густых "облаков" ионизированного газа в слое Е. Их называют спорадическим слоем Е, или Es . Слой F значительно выше, и дальность распространения одним скачком может достигать 5000 км.
Но возможно распространение и несколькими скачками, когда радиоволна несколько раз переотражается поверхностью Земли и ионосферой. Более того, не исключены и рикошетирующие отражения, когда волна несколько раз переотражается слоями ионосферы и лишь после нескольких таких переотражений возвращается на Землю на очень большом расстоянии от передатчика.
На коротких волнах удавалось даже зафиксировать "кругосветное эхо", когда к передатчику, обойдя вокруг Земли, приходит его собственный сигнал. Легко сосчитать время задержки сигнала, зная длину окружности Земли и скорость распространения радиоволн. Оно составляет около 1/8 с.
Чтобы отразиться от слоя F, волне надо дважды пройти сквозь слой Е, а дн╦м ещ╦ и через слой D, и при этом неизбежно поглощение. Поскольку оно тем больше, чем ниже частота и чем длиннее волна, кроме максимально применимой частоты вводят ещ╦ и термин "наинизшая применимая частота" (НПЧ). Это - частота, ниже которой дальнее распространение радиоволн уже практически невозможно из-за поглощения.
Итак, мы пришли к выводу, что для дальнего радиоприема годятся не все короткие волны, а лишь некоторый диапазон между НПЧ и МПЧ. Причем чем ближе частота к МПЧ, тем дальше и с меньшими потерями распространяются радиоволны.