ВЧ- диапазон высоких частот.

ВЧ – 3МГц-30МГц, используются средние волны(СВ) – 100м – 10м.

К диапазону коротких волн относятся волны от 100 до 10 м. Соответствующие этим волнам частоты находятся в диапазоне от 3 до 30 МГц. На небольшие расстояния в пределах нескольких десятков километров короткие волны распространяются как земные, на большие – как пространственные. Пространственная волна (называемая также ионосферной) за счет многократного отражения от ионосферы может распространяться на большие расстояния и даже обогнуть земной шар. В процессе распространения коротких волн участвуют все слои ионосферы. Области D и E являются поглощающими, а область F2 – отражающей. Электронная концентрация области E недостаточна для отражения коротких волн, поэтому эти волны отражаются от области F2, где электронная концентрация значительна. Электромагнитная волна, пройдя области D и E, затухает в них, но поглощение в этих областях ионосферы на коротких волнах значительно меньше, чем на средних. Затухание волны в области F2 меньше, чем в областях D и E. Поэтому коротковолновый сигнал принимается как в дневное, так и в ночное время суток. напряженность поля волны при прохождении ею ионосферы можно определить так:

где Е0 – напряженность поля на входе в ионосферу, δ – коэффициент поглощения, l – путь, пройденный волной через ионосферу в прямом и обратном направлениях.

Коэффициент поглощения в ионосфере можно оценить по формуле:

Из выражения (4.17) следует, что поглощение волны в ионосфере прямо пропорционально электронной концентрации N и числу столкновений электронов с нейтральными частицами ν. В области D значение N малое, а значение ν большое; в области Е N больше, чем в области D, а ν – меньше. Произведение Nν в этих областях примерно в 100 раз больше, чем в области F2. Поэтому затухание сигнала происходит в основном в областях D и E. Поскольку коэффициент поглощения обратно пропорционален квадрату частоты, то применение более высоких частот предпочтительнее. Однако если применить слишком высокую частоту, то значение электронной концентрации может оказаться недостаточным для отражения сигнала даже в максимуме электронной концентрации слоя F2, и волна по криволинейной траектории уйдет вверх, за пределы ионосферы. Если же применить слишком низкую частоту, то сигнал из-за большого затухания в областях D и E не пройдет в пункт приема (рис. 25).

Рис. 25. Отражение радиоволн от ионосферы в КВ диапазоне: F1 –низкая частота (волна сильно ослабляется), F2< F3< F4 – волны отражаются, F5 – высокая частота (волна уходит за пределы ионосферы)

Из этого следует, что для осуществления радиосвязи на коротких волнах должны одновременно выполняться следующие условия:

1. Применяемая частота не должна быть слишком высокой. Эта частота должна определяться, исходя из длины трассы и параметров электронной концентрации отражающего слоя.

2. Применяемая частота не должна быть меньше определенного значения, чтобы для осуществления уверенного приема поглощение сигнала в областях D и E не было бы слишком большим. В обычных условиях электронная концентрация областей D, E и F2 днем, за счет ионизирующего действия солнечной энергии, больше, чем ночью. Поэтому в дневное время суток сигнал отражается на более высоких, по сравнению с ночными часами, частотах. На больших расстояниях короткие волны удобно разбить на три поддиапазона:

1) дневные волны (длина волны от 10 до 25 м), используются для радиосвязи в дневные часы;

2) ночные волны (длина волны от 35 до 100 м), используются для радиосвязи в ночные часы;

3) промежуточные волны (длина волны от 25 до 35 м), используются для радиосвязи в утренние и вечерние часы.

Следует заметить, что приведенное разделение на поддиапазоны волн довольно условное, поскольку в каждый конкретный период времени условия прохождения сигнала зависят от многих причин, таких как расстояние между приемником и передатчиком, состояние электронной концентрации, высота отражающего слоя и других. Тем не менее, в большинстве случаев на больших расстояниях это разделение оправданно.

На трассах протяженностью 2000 – 3000 км в дневные часы основным отражающим слоем может быть область E ионосферы, поскольку при малых углах возвышения волна отражается при относительно малой электронной концентрации. В этом случае неотклоняющее поглощение волны происходит в области D, а отклоняющее – в области E. Иногда в любое время суток возникает спорадический слой ES, расположенный на высотах области E, но имеющий электронную концентрацию, значительно превосходящую концентрацию в этой области. В результате сигнал не доходит до области F2, а отражается от слоя ES. Это явление нарушает нормальные условия распространения коротких волн. На условия распространения коротких волн наиболее сильное влияние оказывает состояние области F2. Эта область не обладает постоянством своей структуры, и электронная концентрация в ней постоянно меняется. Поэтому короткие волны не обладают постоянством условий распространения, какие имеются у средних, длинных и сверхдлинных волн. Вследствие непостоянства структуры области F2 и появления слоя ES влияние ионосферных возмущений на прохождение сигнала на коротких волнах подвержено сильным изменениям. Непостоянство структуры области F2 приводит к глубоким замираниям сигнала (рис. 22) в пункте приема. Амплитуда сигнала при замираниях в диапазоне коротких волн меняется в десятки и сотни раз. Период замираний составляет от десятых долей секунды до нескольких десятков секунд. В отличие от диапазона средних волн, где замирания обусловлены в основном интерференцией земной и ионосферной волн, на коротких волнах замирания происходят за счет интерференции нескольких отраженных от ионосферы лучей.

Замирания могут иметь место в следующих случаях:

1. При интерференции нескольких лучей, имеющих разное число отражений от ионосферы. Например, один луч отразился от ионосферы один раз, другой отразился сначала от ионосферы, затем от земли и опять от ионосферы. Поскольку длина пути прохождения этих лучей постоянно меняется, их волны будут складываться то в фазе, то в противофазе, что приведет к замиранию сигнала (рис. 23б). В общем случае может иметь место сложение волн нескольких лучей.

2. При интерференции обыкновенной и необыкновенной волн. За счет влияния магнитного поля Земли при входе волны в ионосферу она расщепляется на две составляющие, одна из которых называется обыкновенной волной, а другая – необыкновенной. Обе волны имеют эллиптическую поляризацию и отражаются от разных слоев области F2. На выходе из ионосферы эти волны интерферируют между собой, и поскольку их области отражения непостоянны, сложение обыкновенной и необыкновенной волн приводит к замираниям сигнала (рис. 16).

3. При интерференции элементарных лучей, входящих в состав рассеиваемых пучков. Каждый луч, входящий в ионосферу, за счет рассеяния на неоднородностях электронной концентрации расщепляется на множество элементарных лучей, которые отражаются от несколько различных областей ионосферы. Экспериментально установлено, что угловой растр пучка, содержащего элементарные лучи, находится в пределах от одного до пяти градусов. В пункт приема приходит множество элементарных лучей, имеющих различные пути прохождения, которые постоянно меняются вследствие постоянно изменяющейся области отражения элементарных лучей. Интерференция этих лучей приводит к замиранию сигнала (рис. 26).

Рис. 26. Интерференция элементарных лучей, входящих в состав рассеиваемых пучков

Перечисленные случаи замираний называются интерференционными. Имеются также поляризационные замирания, которые наблюдаются реже интерференционных. Поляризационные замирания представляют частный случай поляризационных. Это явление наблюдается тогда, когда в пункте приема имеется антенна одной (горизонтальной или вертикальной) поляризации. Поскольку под действием магнитного поля Земли волна расщепляется на обыкновенную и необыкновенную, каждая из которых эллиптически поляризована, в пункт приема в результате сложения волн приходит также эллиптически поляризованная волна с постоянно изменяющимися параметрами эллипса поляризации. Так как положение эллипса поляризации постоянно меняется, будет наблюдаться эффект поляризационного замирания. Основным методом борьбы с замираниями на коротких волнах является прием сигнала на разнесенные в пространстве антенны. Если, например, сложить сигналы с двух приемников, работающих на разные антенны, то замирания сигнала будут тем меньше, чем больше разнос между антеннами, поскольку с увеличением разноса уменьшается коэффициент взаимной корреляции сигналов с этих антенн. Зоной молчания называется кольцевая область на поверхности земли, в которой сигнал отсутствует. В диапазоне коротких волн на небольших расстояниях от передатчика имеется только земная волна, которая распространяется на расстояние r1. При этом ионосферная волна отсутствует, поскольку при малых углах падения на ионосферу она не отражается, а проходит через ионосферу. Ионосферная волна начнет отражаться только при превышении определенного угла падения ϕ0 и пройдет на поверхность земли, начиная с некоторого расстояния r2. Следовательно, на расстояниях от r1 до r2 сигнал будет отсутствовать (рис. 27).

Внутренний радиус зоны молчания r1 определяется условиями распространения земных волн. Он не зависит от времени суток, а зависит от мощности передатчика и от частоты. С увеличением частоты r1 уменьшается. Внешний радиус зоны молчания r2 определяется условиями распространения ионосферных волн. Он зависит от времени суток. Если расстоянию r2 соответствует угол падения волны на ионосферу ϕ0, а в области F2 максимальное значение электронной концентрации равно Nmax, то в соответствии с законом секанса максимальная частота, на которой отразится волна, определяется формулой:

Если применить частоту f < fmax, то волна отразится при меньшей электронной концентрации, а если применить частоту f > fmax, то волна не отразится, а уйдет за пределы ионосферы.

Рис. 27. Образование зоны молчания. На определенной частоте f при малых углах φ сигнал не отражается от ионосферы, при φ > φ0 приходит на земную поверхность

Таким образом, внешнему радиусу зоны молчания будет соответствовать частота fmax, которая называется максимальной применимой частотой (МПЧ). Поскольку значение электронной концентрации постоянно меняется, то для того чтобы обеспечить надежную радиосвязь, необходимо выбрать рабочую частоту, несколько меньшую МПЧ. Такая частота называется оптимальной рабочей частотой (ОРЧ), которая обычно составляет 0,7 – 0,9 от МПЧ. При выборе частоты, значительно меньшей ОРЧ, затухание сигнала может быть чрезмерно большим, а при выборе частоты, равной ОРЧ, сигнал может пропадать из-за случайных флуктуаций электронной концентрации.

На коротких волнах наблюдается явление эха. Различают ближнее и дальнее эхо. Дальнее кругосветное радиоэхо может быть прямое и обратное (рис. 28). Прямое кругосветное эхо наблюдается тогда, когда в пункт приема приходят: первая волна, распространяющаяся от передатчика по кратчайшему расстоянию; вторая волна, пришедшая с того же направления, но обогнув земной шар. Обратное кругосветное эхо наблюдается в том случае, если вторая волна пришла в пункт приема с противоположной стороны, обогнув земной шар.

Рис. 28. Образование кругосветного эха: а – прямого; б – обратного

При прямом кругосветном эхе запаздывание эхо-сигнала относительно основного равно времени прохождения радиоволны вокруг земного шара и составляет 0,13 с. Время запаздывания при обратном кругосветном эхе зависит от расстояния между передатчиком и приемником. Кругосветное эхо является нежелательным явлением и может быть причиной появления ложных сигналов, задержанных на какое-то время относительно основного. В некоторых случаях сигнал может многократно обогнуть земной шар и, например, вместо приема одной телеграфной посылки можно принять несколько. Ближнее эхо возникает тогда, когда пришедшие в пункт приема лучи отражаются от ионосферы различное число раз. Если, например, первый луч отразился от ионосферы один раз, а второй – два раза, то при короткой посылке могут возникнуть два импульса, а при длинной произойдет увеличение длительности импульса. Для борьбы с этим явлением применяют:

1) антены с узкой диаграммой направленности в вертикальной плоскости. Если диаграмма направленности прижата к земле, то будет приниматься в основном луч, отраженный один раз от ионосферы, а многократно отраженные лучи будут существенно ослаблены. Если же применить однонаправленную антенну, то влияние обратного кругосветного эха будет малым;

2) рабочие частоты, близкие к МПЧ. В этом случае, если затухание для многократно отраженных от ионосферы сигналов будет большим, будет приниматься только основной луч. В ионосфере время от времени появляются геомагнитные возмущения, которые обусловлены явлениями, происходящими на Солнце. Геомагнитные возмущения тесно связаны с ионосферными возмущениями, во время которых в области F2 электронная концентрация резко уменьшается, а действующие высоты возрастают, что приводит к уменьшению максимально применимых частот. В периоды ионосферных возмущений возрастает поглощение сигнала в диапазоне коротких волн. Все это приводит к тому, что обычные условия радиосвязи во время ионосферных возмущений нарушаются и радиосвязь может прекратиться. Во время ионосферных бурь ионосферные возмущения носят глобальный характер, т. е. проявляются на всем земном шаре. В полярных районах часто происходят ионосферные возмущения местного характера, которые называются поглощениями в зоне полярных сияний. Такие поглощения происходят в северном и южном полушариях на средней геомагнитной широте примерно 67,5є, в полосе широт до 10є. В тих районах частицы высоких энергий глубоко проникают в ионосферу до высот области E или D, вызывая в этих областях повышенную ионизацию. Полярные поглощения могут продолжаться в течение нескольких часов или нескольких суток. В течение этого временного периода радиосвязь может полностью прекратиться за счет того, что повышенная ионизация в областях E и D приведет к сильному поглощению сигнала. На высоких широтах время от времени происходят поглощения в полярной шапке (ППШ). Полярной шапкой называют круговую область с центром в геомагнитном полюсе. Нижняя граница этой области находится примерно на геомагнитной широте 64є. Поглощение в полярной шапке происходит за счет частиц, энергия которых выше энергии частиц, вызывающих поглощение в зоне полярных сияний. Эти частицы вызывают повышенную ионизацию в области D, что приводит к сильному затуханию сигнла и прекращению радиосвязи. Внезапные поглощения происходят во время хромосферных вспышек, которые время от времени возникают на поверхности Солнца. Вспышки сопровождаются резким усилением ультрафиолетового и рентгеновского излучений и приводят к резкому увеличению ионизации области D. Повышенная ионизация в этой области приводит к сильному поглощению сигнала. Основными мерами борьбы с нарушениями радиосвязи на коротких волнах при ионосферных возмущениях являются:

– применение передатчиков повышенной мощности;

– применение передающих и приемных антенн с большим коэффициентом направленного действия;

– переход на более низкие частоты, поскольку во время ионосферных возмущений обычно происходит уменьшение электронной концентрации в области F2;

– применение ретрансляционных коротковолновых линий, проходящих вне зоны сильных возмущений.

 

• на коротких волнах сравнительно просто строить антенны, размеры которых превышают длину волны в несколько раз и обуславливают значительные направленные свойства

условия прохождения коротких волн определяются состоянием ионосферы, поэтому для обеспечения непрерывной радиосвязи используют антенны диапазонного типа

• в качестве простых антенн на коротких волнах применяют горизонтальные симметричные вибраторы, диапазонные вибраторы надененко, шунтовые диапазонные вибраторы, уголковую антенну пистолькорса, антенны зенитного типа