Рассмотренные явления — отражение от слоев F2 и Ес — не могут обеспечить регулярной радиосвязи на УКВ. Загруженность диапазона КВ настоятельно требует изыскания возможности работы в новых диапазонах.
Начиная с 1950 г., стали проводить теоретические и экспериментальные исследования возможности регулярной работы УКВ радиолиний на расстоянии свыше 1000 км. Основанием для этого послужило более детальное изучение строения ионизированных слоев атмосферы, установившее их неоднородное строение. Неоднородности можно себе представить в виде облаков, в которых электронная плотность отличается от электронной плотности окружающей среды. Следовательно, и диэлектрическая проницаемость облака отличается от диэлектрической проницаемости окружающей среды.
Размер неоднородностей оценен исследователями в 100—200 м, т. е. для УКВ размер неоднородностей много больше длины волны. Наличие неоднородностей приводит к тому, что наблюдается рассеяние радиоволн. Еще в 30-х годах это явление было обнаружено в диапазоне КВ. При работе мощного коротковолнового передатчика слабые сигналы наблюдались в пределах зоны молчания. Было установлено, что эти сигналы исходили из области ионосферы, от которой отражались радиоволны. Явление это было названо обратным рассеянием. Дальнейшие наблюдения показали, что рассеянные сигналы, хотя и очень слабые, могут наблюдаться во время замирания основного сигнала за пределами зоны молчания. Такое рассеяние названо прямым рассеянием.
Рассеяние на неоднородностях ионосферы происходит аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы. Падающая на ионизированный слой волна рассеивается отражающей областью, которая служит источником этого вторичного рассеяния.
В течение ряда лет изучались неоднородности ионосферы, их размеры, горизонтальное движение и сделаны были попытки установить причины появления и закономерности, свойственные этим неоднородностям. Однако только с 1950 г. начались попытки применения рассеяния для дальней связи на УКВ.
В 1951 г. в США были поставлены опыты по систематическому наблюдению за приемом сигналов с частотой 50 МГц на расстоянии 1250 км от передатчика. Применялись остронаправленные (ромбические) передающая и приемная антенны и передатчик мощностью 20 кВт. Опыты эти дали обнадеживающие результаты: в течение примерно полугода, когда велись наблюдения, не было ни одного случая нарушения связи. Правда, сигнал был очень слабым, однако достаточным для уверенного приема. Уровень сигнала менялся в течение суток. Конечно, этих наблюдений далеко не достаточно, чтобы сказать, будет ли такой способ связи надежным на других трассах, при других расстояниях, как лучше всего выбрать рабочие частоты и какова должна быть мощность передатчика.
Эти первые опыты побудили ученых всего мира заняться теоретическим и экспериментальным исследованием рассеяния радиоволн в ионосфере. В последующие годы было предложено несколько теорий, дающих формулы для расчета напряженности поля рассеянного сигнала. Однако не было возможности проверить их справедливость.
Только в конце 1955 г. были опубликованы результаты 4-летних наблюдений сверхдальнего регулярного приема метровых волн, проводившихся в США и Канаде. В проведении наблюдений принимали участие ряд научно-исследовательских учреждений и радиолюбители. Наблюдения проводились на семи различных трассах протяженностью 1200—2300 км. Три исследуемые трассы лежали в приполярной области. В этой области радиосвязь КВ особенно подвержена частым нарушениям, и поэтому изыскание возможности других видов связи представляет большой интерес. Остальные трассы лежали в средних широтах.
Передачи велись на частотах 27, 50 и 107 МГц. Использовались передатчики, создающие на входе антенны мощность около 30 кВт. Для приема и передачи применялись одинаковые остронаправленные ромбические антенны с коэффициентом усиления около 20 дБ. Диаграммы направленности антенн были рассчитаны так, чтобы максимум основного лепестка был направлен в среднюю точку пути на высоте 100—120 км. Приемники имели ширину полосы около 2 кГц.
Наблюдения проводились круглосуточно, причем за все годы ни на одной из трасс ни разу не наблюдались нарушения связи, хотя уровень принимаемого сигнала колебался в широких пределах, отличаясь от среднего значения на 20 дБ. Было отмечено, что напряженность поля принимаемого сигнала претерпевает регулярные изменения.
Уровень сигнала достигал максимального значения в полдень, а минимального — в 19—21 ч по местному времени в средней точке. Наибольшие значения напряженности поля наблюдались в дневное время летом. Зимой они были несколько ниже и значительно ниже весной и осенью.
Временами принимались сигналы, отраженные от спорадического слоя Еc и от следов метеорных тел. В этих случаях уровень сигнала значительно повышался или наблюдались отдельные кратковременные всплески. Эти высокие уровни сигнала рассматривались как случайные явления и при анализе не учитывались.
Ранее оставалось неясным, в какой именно области ионосферы происходило рассеянное отражение радиоволн. Проведенные опыты показали, что это рассеяние происходит днем на высоте 75—80 км, а ночью на высоте 85—90 км, т. е. ниже слоя Е, но несколько выше поглощающего слоя D. Более поздние опыты показали, что рассеяние может происходить и на больших высотах, достигающих 150—200 км. Исследование возможностей использования для связи радиоволн, рассеянных на таких высотах, позволит решить вопрос осуществления дальних связей без промежуточных ретрансляционных станций.
Как и следовало ожидать на основании разработанных ранее теорий, напряженность поля волны, рассеянной в ионосфере, зависит от рабочей частоты, убывая обратно пропорционально квадрату частоту. Следовательно, практически применимы для этого типа связи частоты не выше 100 МГц. Особенно ценным свойством рассматриваемого вида распространения радиоволн является устойчивость к тем видам нарушений, которым подвержена связь на КВ.
Во время внезапных вспышек поглощения, вызванных увеличением ультрафиолетовой радиации Солнца, когда возрастает плотность ионизации слоя D и происходит замирание сигнала на КВ, интенсивность сигнала на частотах выше 30—35 МГц усиливается. На частотах 25—27 МГц уровень сигнала несколько снижается, так как на этих волнах сказывается увеличение поглощения в слое D.
Возрастание уровня напряженности поля рассеянной волны наблюдается также во время ионосферно-магнитных возмущений, когда происходит полное нарушение коротковолновой связи в полярных областях.
Проведенные экспериментальные исследования позволили выяснить ряд особенностей и преимуществ связи на метровых волнах за счет рассеяния их на неоднородностях ионосферных слоев, а также определить возможную область применения и требования к аппаратуре при данном виде связи. Выяснено, что наилучшие результаты получаются при длине трасс 1000—2300 км. При меньших расстояниях интенсивность сигнала быстро уменьшается. Большие расстояния не могут быть перекрыты путем однократного отражения от ионосферы, а при многократных рассеянных отражениях уровень сигнала чрезвычайно снижается.
Наиболее целесообразным оказывается применение диапазона частот 30—60 МГц. Как указывалось, напряженность поля резко убывает с повышением рабочей частоты, что обусловливает верхнюю границу применимого диапазона. Волны частотой ниже 30 МГц испытывают поглощение, и связь на них подвержена нарушениям, свойственным КВ.
Рассматриваемый вид распространения радиоволн предъявляет повышенные требования к применяемой аппаратуре. Передатчик должен иметь значительную мощность. Например, для одноканальной телеграфной связи в арктических
условиях на частоте 35 МГц необходима мощность передатчика не менее 5 кВт.
Во избежание приема запаздывающих сигналов, приходящих от следов метеорных тел или от слоя Еc, появляющихся в стороне от основной трассы необходимо применение остронаправленных антенн и сужение полосы пропускания приемника. Практически диаграмма направленности антенны может быть не уже 8°, а ширина полосы не шире 2 кГц.
Для устранения влияния замираний желательно применение двух приемных антенн, разнесенных на расстояние, примерно равное 10λ, в направлении, перпендикулярном направлению распространения.
Основными преимуществами рассматриваемого вида связи можно считать следующие: отсутствие нарушений связи во время ионосферных возмущений, что обеспечивает надежную связь в сложных условиях арктических областей; возможность круглосуточной работы на одной и той же частоте (при работе на КВ рабочие частоты меняются в зависимости от времени года и суток); уменьшение уровня помех. Уровень помех определяется в основном космическими шумами и шумами Солнца. На арктических трассах уровень шумов повышается во время буранов за счет движения снега и кристаллов льда.
Рассматриваемый вид распространения радиоволн может обеспечить радиотелеграфную связь с надежностью 99,5%. В арктических областях надежность связи снижается не более чем на 0,5%. К недостаткам такого вида связи можно отнести повышенные требования к используемой аппаратуре и применимость его только для передачи узкой полосы частот.
Явление рассеяния радиоволн на неоднородностях ионосферы нашло уже практическое применение. Надежность такого вида связи в арктических условиях обусловила использование его именно в этом районе. Первая линия сверхдальней связи на УКВ соединила побережье США через Гренландию с Исландией. Таким образом, для перекрытия расстояния свыше 3000 км потребовалась всего одна промежуточная станция. Эта линия рассчитана на передачу одного телефонного и восьми телеграфных (буквопечатающих) каналов. Имеются сведения о сооружении таких же линий в других странах.