ОНЧ – диапазон очень низких частот

ОНЧ – 3кГц-30кГц, используются сверх длинные волны(СДВ) – 100км – 10км. Мириаметровые и километровые волны (сверхдлинные и длинные радиоволны) характеризуются постоянством условий распространения. Это постоянство заключается в том, что сигнал при прохождении не подвержен резким изменениям амплитуды поля и радиосвязь в этом диапазоне волн внезапно не нарушается. Диапазон сверхдлинных волн (СДВ) имеет частоты от 3 кГц до 30 кГц с длиной волны от 100 км до 10 км соответственно. Несмотря на то что частотный диапазон находится в области звуковых частот, СДВ – электромагнитные волны. Радиоволны этого диапазона могут распространяться на большие расстояния, но для осуществления радиосвязи они не применяются по причине малой пропускной способности радиоканала. СДВ применяются в качестве радиомаяков, радионавигационных систем, в научных целях. В природных условиях основным источником СДВ являются разряды молний. Эти разряды являются помехой для осуществления радиосвязи и в других частотных диапазонах, поэтому исследование радиопомех важно для оценки надежности радиолиний.

Радиоволны СДВ диапазона, источником которых являются молнии, распространяются в так называемом волноводе Земля – ионосфера (рис. 17). Нижней границей такого волновода является

земная поверхность, а верхней – слой D (днем) и слой Е ионосферы (ночью).

Рис. 17. Распространение сигнала в волноводе Земля – ионосфера

В определенных условиях эти волны могут проникнуть и в ионосферу, где они распространяются вдоль силовых магнитных линий Земли (рис. 18). При распространении в продольном магнитном поле коэффициент преломления для необыкновенной составляющей определяется выражением:

групповая скорость для СДВ, прошедших через ионосферу, по формуле:

Поскольку среда, в которой распространяются эти радиоволны, является анизотропной, то для нее соотношение c2 = vгрvф не выполняется, и фазовая скорость определяется по более сложным формулам. Зависимость групповой скорости от частоты сигнала и частот ω0 и ωпр приводит к тому, что импульсный сигнал от грозового источника, воспринятый ухом вблизи разряда как щелчок, в точке приема (после его распространения вдоль силовой линии магнитного поля Земли) будет услышан с приемника прямого усиления как свист. Такой сигнал получил название свистящего атмосферика, или вистлера.

Рис. 18. Возможные пути распространения сигнала в диапазоне очень низких частот

Напряженность поля в точке приема СДВ можно определить по формуле:

С учетом множителя ослабления F при отсутствии поглощения в волноводе Земля – ионосфера это выражение примет вид:

где h – высота волновода; а – радиус Земли; θ – центральный угол между двумя лучами, проведенными из центра Земли до точек передачи и приема (см. рис. 19). Из формулы (4.4) следует, что напряженность поля с ростом расстояния между приемной и передающей точками сначала падает, затем растет, достигая в антиподе Земли максимального значения. Этот эффект антипода объясняется тем, что лучи, огибающие Землю в различных направлениях,сходятся на противоположной стороне Земли (в антиподе).

Рис. 19. К расчету напряженности поля в диапазоне СДВ

В реальных условиях процесс распространения радиоволн происходит более сложным образом. Существует теория мод, согласно которой поле радиоволны в СДВ диапазоне можно представить в виде суммы отдельных волн, распространяющихся вдоль оси волновода Земля – ионосфера с разными фазовыми скоростями. Каждая мода имеет фазовую скорость:

где n = 0, 1, 2 … – мода волны; λ – длина волны в воздухе; h – высота волновода. Нулевая мода (n = 0) соответствует равномерному распределению поля по высоте, первая мода (n = 1) – потому, что по высоте укладывается одна полуволна, вторая (n = 2) – две полуволны и т. д. Для расчета поля в месте приема достаточно учесть сумму двух или трех мод. В диапазоне длинных и сверхдлинных волн вследствие неоднородности ионизирующего потока и наличия восходящих и нисходящих течений воздуха происходит непрерывное изменение электронной концентрации. Эти изменения приводят к изменению напряженности в точке приема. Поскольку колебания напряженности незначительны и происходят медленно, то они практически не влияют на качество передаваемых сообщений. Суточные колебания напряженности поля имеют место. Амплитуда этих колебаний зависит от времени суток, и днем амплитуда сигнала обычно меньше, чем ночью. Объясняется это тем, что затухание сигнала при отражении от слоя D больше, чем от слоя Е, поскольку область D существует только днем. Годовой ход напряженности поля выражен слабо, напряженность поля в летние месяцы (за счет большей ионизации областей D и Е) больше по сравнению с зимней на 20 – 50 %. Влияние одиннадцатилетнего цикла солнечной активности незначительно. В годы максимума солнечной активности в дневные часы наблюдается некоторое увеличение напряженности поля. Ионосферные возмущения также незначительно влияют на условия распространения сверхдлинных и длинных волн. На относительно небольших расстояниях (до 500 км) сверхдлинные и длинные волны распространяются как земные. На больших расстояниях эти волны можно рассматривать как пространственные, распространяющиеся в волноводе Земля – ионосфера. Сверхдлинные волны могут распространяться на очень большие расстояния и достичь антипода, а длинные волны при обычно применяемых мощностях – на расстояние до 4000 км. Рассмотрим условия распространения радиоволн вблизи земной поверхности (рис. 20). В диапазоне сверхдлинных и длинных волн передающая антенна излучает электромагнитное поле с вертикальной поляризацией (ось z), т. е. вектор Е перпендикулярен поверхности земли. При распространении вдоль земли (ось x) основной поток энергии распространяется вдоль ее поверхности, а небольшая его часть уходит в землю. Следовательно, на достаточно большом расстоянии от передатчика вектор Пойнтинга П, показывающий направление распространения энергии, будет наклонен в сторону земли. Поскольку вектор Н перпендикулярен вектору Е и вектору П, то в воздухе, около поверхности земли, кроме вертикальной составляющей E1Z появится горизонтальная составляющая E1X. Из точных граничных условий следует, что горизонтальные составляющие EX и HY непрерывны на границе раздела двух сред, поэтому около поверхности земли во второй среде горизонтальная составляющая E2X будет равна E1X.

Рис. 20. Распространение радиоволн вблизи земной поверхности

Вертикальную составляющую напряженности электрического поля можно определить из формулы (4.3) и представить ее в виде:

Исходя из граничных условий Леонтовича, горизонтальная составляющая определяется по формуле:

где εк – комплексная диэлектрическая проницаемость земли. Подставив вместо комплексной диэлектрической проницаемости ее значение, получим:

Представив знаменатель формулы (4.8) в виде модуля и фазового множителя, имеем:

В формулах (4.8) и (4.9) ε – относительная диэлектрическая проницаемость земли; λ – длина волны в воздухе; σ – удельная проводимость земли; фазовый угол определяется по формуле:

Поскольку проводимость земли и длина волны в диапазоне сверхдлинных и длинных волн имеют большие значения, то горизонтальная составляющая EX1 меньше вертикальной E1Z в сотни раз. При этом электрическое поле у поверхности земли оказывается эллиптически поляризованным в вертикальной плоскости, а фазовый угол стремится к 45є. Явление наклона фронта волны имеет практическое значение. Например, если длинный провод протянуть вдоль поверхности земли и подключить его на вход приемника, то за счет горизонтальной составляющей поля можно принимать сигналы радиостанций. Наведенная в проводе э.д.с. будет тем больше, чем длиннее провод.

В принципе в диапазоне очень низких частот можно осуществить радиосвязь с подводными или подземными объектами. Напряженность на глубине h горизонтальной составляющей поля находится по формуле:

а напряженность на глубине h вертикальной составляющей определяется так:

В формулах (4.11) и (4.12) δ – коэффициент поглощения, который определяется из формулы:

• из-за особенностей распространения СДВ, ДВ и СВ максимум излучения антенн этих диапазонов должен быть направлен вдоль поверхности земли

• обычно на СДВ и ДВ приемлемая высота опор составляет 150…250 м. некоторые СВ-антенны имеют высоту до 350 и даже до 500 м. в СВ-диапазоне высота антенны может быть соизмерима с длиной волны и равна обычно (0.15…0.63)l. антенны выполняют в виде антенн-мачт или антенн-башен. высота антенных опор определяется технико-экономическими соображениями

• антенны сверхдлинных и длинных волн находят свое применение в радиотелеграфной связи, в дальней навигации, при передаче сигналов точного времени, а антенны средних волн для радиовещания, морской связи.