10-1. Распространение ультракоротких волн

Для того чтобы понять, какие требования предъявляются к антеннам ультракоротких волн, необходимо знать особенности распространения их. Приведенное ниже рассмотрение особенностей распространения в основном относится к радиолюбительскому диапазону от 144 до 146 Мгц (длина волны 2 м), но основные характеристики распространения имеют приблизительно такой же характер, как и во всех других диапазонах УКВ.

Как известно, распространение коротких волн в основном определяется их отражением от ионосферы, т. е. зависит от отражающих свойств ионосферы. Только благодаря этому становится возможным распространение коротких волн на большие расстояния. Электромагнитные волны, имеющие длину волны 2 м (ультракороткие волны), уже не испытывают отражения от слоев ионосферы; они проходят через всю толщу атмосферы и распространяются в космическом пространстве. Это свойство ультракоротких волн не является благоприятным для связи между двумя точками, расположенными достаточно далеко на земной поверхности (например, между двумя радиолюбительскими станциями), но в то же время позволяет использовать ультракороткие волны (в особенности дециметрового диапазона) для связи с космическими объектами.

Распространение ультракоротких волн происходит квазиоптически, т. е. они распространяются почти таким же образом, как лучи света, — по прямым и могут отражаться, преломляться и рассеиваться различными объектами. Поэтому волны длиной 2 м наиболее пригодны для связи в пределах прямой видимости; они не испытывают значительного ослабления, и, таким образом, в любое время обеспечивается надежная радиосвязь при небольших мощностях передатчиков. Кроме того, можно надеяться на увеличение дальности радиосвязи на 35% по отношению к расстоянию прямой видимости, рассчитывая дальность радиосвязи по формуле $$d=4,13(\sqrt{h_1}+\sqrt{h_2}),$$ где d — дальность, км;

h1, — высота подвеса антенны передающей станции, м;

h2 — высота подвеса антенны приемной станции, м.

Эта формула учитывает увеличение дальности радиосвязи, которое имеет место на практике, при условии, что между приемной и передающей станцией нет высоких естественных препятствий, экранирующих одну станцию от другой. При определенных условиях дальность радиосвязи в диапазоне 2 м может достигать 1 000 км и больше. Это явление связано с так называемой рефракцией, когда наблюдается искривление траектории распространения волн вследствие постепенного изменения коэффициента преломления воздуха с высотой. Путь распространения электромагнитных волн искривляется в сторону поверхности земли, за счет чего и достигается увеличение дальности радиосвязи. Следует отметить, что коэффициент преломления в тропосфере зависит от таких метеорологических факторов, как давление воздуха, его относительная влажность и температура.

Из рис. 10-1 видно, что в случае прямолинейного распространения ультракоротких волн только те волны достигают приемной станции, которые излучаются под очень небольшими углами возвышения, почти касательно к поверхности земли. Если состояние тропосферы таково, что ультракороткие волны испытывают заметное искривление при распространении в ней, то становится возможной связь на больших расстояниях (приемник II). Углы возвышения основного излучения передающей антенны опять должны быть очень небольшими. Инверсионные слои тропосферы обычно находятся на небольшой высоте от поверхности земли — от нескольких сотен метров (небольшие дальности радиосвязи) до нескольких тысяч метров (большие дальности связи), и поэтому общая дальность радиосвязи в диапазоне ультракоротких волн незначительна. Как видно из рис. 10-1, максимальная дальность радиосвязи возможна в том случае, когда излучение имеет возможно меньшие углы возвышения.

Рис. 10-1. Распространение ультракоротких волн в тропосфере.

При рассмотрении коротковолновых антенн уже упоминалось, что отражение от поверхности земли в непосредственной близости от места расположения антенны, вызванные небольшой высотой подвеса антенны, приводят к тому, что вертикальный угол возвышения основного излучения антенны увеличивается. Поэтому антенну следует подвешивать по возможности выше над поверхностью земли. Требование подвешивать антенну «по возможности выше» довольно легко выполнимо в диапазоне ультракоротких волн, так как высота подвеса антенны всегда измеряется в долях рабочей волны, а в УКВ диапазоне расстояние 10 м от поверхности земли при λ = 2 м равняется 5 λ. В диапазоне коротких волн это же расстояние для диапазона 20 м (5 λ) равнялось бы 100 м, что, конечно, абсолютно нереально.

Антенны УКВ следует располагать выше окружающих ее предметов на 2—3 λ, но не следует стремиться к чрезмерному увеличению высоты расположения антенны, так как в этом случае усложняется конструкция антенны, а практического выигрыша в дальности радиосвязи почти не достигается.

Поляризация поля ультракоротковолновых антенн

В диапазоне коротких волн поляризация поля антенны имеет второстепенное значение. Сигнал, излученный вертикально поляризованным излучателем (например, антенной «граундплэйн»), может быть без особого ослабления принят с помощью антенны с горизонтальной поляризацией, причем не хуже, чем антенной с вертикальной поляризацией. Совершенно по-другому обстоит дело в диапазоне УКВ. В диапазоне УКВ совершенно обязательно, чтобы поляризации передающей и приемной антенн были одинаковыми. Наиболее часто используются антенны, имеющие горизонтальную поляризацию (горизонтальные излучатели). Однако в случае использования УКВ радиосвязи с помощью подвижных станций наиболее часто применяются антенны с вертикальной поляризацией. Ниже приводится описание ультракоротковолновых антенн с горизонтальной поляризацией излучаемых ими электромагнитных волн, т. е. с горизонтально расположенными элементами. Эти же антенны могут использоваться и как антенны с вертикальной поляризацией, если их элементы повернуть таким образом, чтобы они заняли вертикальное положение. В этом случае всегда нарушается в некоторой степени правильность формы диаграммы направленности антенны. Это обстоятельство связано с тем, что обычно мешающие металлические предметы, расположенные поблизости от антенны, также расположены вертикально, и, кроме того, в этом случае сказывается различное удаление отдельных элементов антенны от поверхности земли.

При работе в диапазоне УКВ в случае, если работа ведется в лесистой местности, следует избегать применения антенн с вертикальной поляризацией, так как в противном случае электромагнитные волны испытывают сильное ослабление, обусловленное стволами деревьев.