Регулярное распространение КВ

К коротким — декаметровым — волнам (КВ) относят радиоволны длиной от 100 до 10 м (частота колебаний 3—30 МГц).

В 20-х годах когда еще не было выяснено влияние ионосферы на распространение радиоволн, считали, что все волны короче 200 м непригодны для радиосвязи на большие расстояния. Поэтому весь этот диапазон был передан радиолюбителям. Естественно, что, основываясь на таком представлении, радиолюбители также старались работать на волнах как можно ближе к 200 м. Однако со временем многие радиолюбители стали работать на более коротких волнах, и к всеобщему удивлению условия радиосвязи на этих волнах оказались лучше. После выяснения преимуществ КВ было организовано новое распределение частот между радиостанциями всех стран мира.

В 20-х годах началось широкое использование коротких радиоволн для дальней связи. В 1924 г. под руководством советского ученого М. А. Бонч-Бруевича в Нижнегородской (Горьковской) радиолаборатории проводились первые в Советском Союзе опыты по связи на коротких волнах, закончившиеся организацией линии радиосвязи Москва — Ташкент, а в 1925 г. проводились такие же работы на линии Ленинград — Тбилиси. Большой вклад в исследование распространения КВ сделал М. В. Шулейкин.


Рис. 21. Антенна коротковолнового диапазона.

В настоящее время КВ применяются главным образом для связи и радиовещания на расстояния, достигающие тысяч километров, причем передатчики могут иметь небольшую мощность. На КВ можно создать направленные антенны, т. е. сконцентрировать излучаемую энергию в нужном направлении. Вид передающей коротковолновой антенны показан на рис. 21.

Радиолюбителям выделено в КВ диапазоне ряд частот: 1,85—1,95; 3,5—3,65; 7,0—7,1; 14,0—14,35; 21,0—21,45; 28—29,7 МГц. Работа радиолюбителей-коротковолновиков по установлению дальних радиосвязей способствует дальнейшему исследованию особенностей распространения КВ и возможностей его использования.


Рис. 22. Отражение КВ от ионосферы.

Короткие радиоволны распространяются на большие расстояния путем отражения от ионосферы и поверхности Земли, как это иллюстрирует рис. 22. Такой способ распространения называют скачковым и характеризуют расстоянием скачка rc1, rc2, ..., rcn и п — числом скачков. Расстояние скачка зависит от высоты отражающего слоя, рабочей частоты и диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости, оно меняется в зависимости от времени года, сезона и активности Солнца.


Рис. 23. Типичные пути распространение КВ.

Короткие волны могут отражаться на разных высотах в ионосфере. Нижняя граница области отражения лежит вблизи максимума электронной плотности слоя Е на высоте 100—120 км, верхняя граница — несколько ниже максимума слоя F2, на высоте 300—400 км. В среднем максимальное расстояние скачка принимают равным при отражении от слоя F2 — 4000 км, при отражении от слоя F1 — 3000 км, при отражении от слоя Е — 2000 км. Максимальное расстояние скачка имеет место при направлении излучения волны по касательной к горизонту, однако у реальных антенн максимум излучения направлен под некоторым углом к горизонту (рис. 22), что приводит к уменьшению максимального расстояния скачка. Кроме того, антенна излучает в некотором интервале углов, соответствующем ширине диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости и составляющем 10—15°. Поэтому одна антенна посылает волны одной и той же частоты, направленные под различными углами возвышения. Вспомним формулу (9), которая показывает, что волны, посланные под разными углами возвышения, отражаются при различной электронной плотности, т. е. на разной высоте в ионосфере. Поэтому волны на данной радиотрассе могут распространяться различными путями и к приемной антенне может приходить несколько волн под разными углами возвышения. Примеры типичных путей распространения КВ приведены на рис. 23. Установить, каковы пути распространения радиоволн, удается только при проведении исследований специальной аппаратурой. На работающих радиолиниях очень трудно определить, каков путь волны, так как поле в месте приема имеет сложную структуру.

Следует еще сказать, что ионосфера неоднородна и в горизонтальном направлении. Ведь при большой протяженности радиотрассы местное время в начале и конце ее может быть различным, а значит, плотность ионосферы окажется неодинаковой. В горизонтально неоднородной ионосфере нарушается симметрия пути волны, изменяются расстояние скачка и условия отражения.

Коротковолновая радиолиния может успешно работать при выполнении двух условий: во-первых, должно быть выполнено условие отражения волны от ионосферы и, во-вторых, напряженность поля полезного сигнала в данном месте должна превышать уровень помех. Отражение волны произойдет, если рабочая частота не превосходит значения, определяемого формулой (9). Из этого условия выбирается максимальная применимая частота (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона. Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах КВ диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере.

Наименьшую применимую частоту (НПЧ) определяют из условия, что при данной мощности передатчика напряженность электрического поля сигнала должна превышать уровень помехи, следовательно, поглощение в ионосфере не должно быть больше допустимого.

Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток и в течение года. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток. Днем работают на волнах 10—25 м, а ночью на волнах 35—100 м. Понятно, что необходимость менять длину волны и каждый раз правильно выбирать ее усложняет как конструкцию станции, так и работу оператора.

Увеличение поглощения в дневные часы по сравнению с ночными проявилось при приеме в Антарктиде европейских коротковолновых станций. Советские операторы, работающие на радиостанции поселка «Мирный» отмечали изменение направления прихода наиболее сильного сигнала КВ в течение суток. Радиоволны всегда проходили по неосвещенной Солнцем стороне земного шара, хотя в течение части суток (когда освещено восточное полушарие) этот путь является более длинным. Волна, проходящая по освещенной части земного шара, почти полностью поглощалась в ионосфере.

Максимальные применимые частоты определяют по прогнозам о критических частотах и высотах ионосферных слоев. Частоты волн, отражающихся в случае наклонного fφ и вертикального f0 падения на слой с одной и той же электронной плотностью, связаны соотношением

$$
\begin{equation}
f_{\varphi}=Mf_{\varphi}
\tag{11}
\end{equation}\label{eq.11}
$$

где М — коэффициент передачи; он зависит от протяженности радиолинии. Для коэффициента передачи принята запись, при которой перед буквой М ставится символ слоя, отражающего волны, а после — расстояние в километрах. В такой записи формула (11) для радиолинии протяженностью 3000 км принимает вид

$$
\begin{equation}
F_2-3000\ \text{МПЧ}=(F_2-M-3000)f_{\text{кр}\ F_2}
\tag{12}
\end{equation}\label{eq.12}
$$

Эта запись значит, что МПЧ при отражении от слоя F2 и протяженности радиотрассы 3000 км равняется критической частоте fкр F2, умноженной на коэффициент М для данного расстояния.

Для расчета МПЧ используют «Месячный прогноз распространения радиоволн», в котором публикуются карты мира с нанесенными на них значениями F2 — 0 — МПЧ и F2 — 4000 — МПЧ и номограммы для пересчета МПЧ на другие расстояния. На карту наносят радиотрассу и определяют критическую частоту в точках отражения радиоволн. Если трасса имеет протяженность не более 4000 км, то распространение осуществляется главным образом путем одного отражения волны от ионосферы в середине трассы.

На протяженных трассах расчет проводить сложнее, так как здесь могут одновременно приходить волны, распространяющиеся, например, путем трех или четырех отражений. В этом случае определяют положение так называемых контрольных точек, каждая из которых отстоит на 2000 км от концов радиолинии, и из двух значений МПЧ, полученных для этих точек в предположении, что расстояние скачка равно 4000 км (МПЧ — 4000), выбирают наименьшее. Вычисляя подобным образом МПЧ для каждого часа суток, строят суточный график изменения МПЧ.

Чтобы вследствие случайных изменений электронной плотности не произошло нарушение работы радиолинии, выбирают оптимальные рабочие частоты (ОРЧ), которые ниже МПЧ на 15% [1].

Метод расчета напряженности электрического поля на КВ и наименьших применимых частот НПЧ, наиболее соответствующий физической картине распространения КВ, предложен советским ученым А. Н. Казанцевым. В «Инструкции по расчету коротковолновых линий радиосвязи» [7] подробно изложен метод расчета напряженности поля и НПЧ.


Рис. 24. Диапазон рабочих частот для радиотрассы Москва-Вашингтон.

Нанося на одном и том же графике суточные изменения МПЧ и НПЧ, получают представление о диапазоне рабочих частот, который можно применять в разное время суток. Пример такого графика для радиотрассы Москва — Вашингтон приведен на рис. 24.

Путем увеличения мощности передатчика можно снизить значение НПЧ. Для мощности передатчика 1 кВт и приеме на телефон график НПЧ (кривая 2) почти все время проходит выше графика МПЧ (кривая 7), т. е. в этих условиях большую часть суток прохождение радиоволн невозможно. При увеличении мощности передатчика до 100 кВт НПЧ снижаются примерно на 4 МГц (кривая 3). Переход к телеграфному приему, допускающему больший относительный уровень помех (кривая 4), снижает НПЧ еще на 1—1,5 МГц. Приведенный пример показывает, что выбор рабочей частоты в КВ диапазоне является сложной, иногда неразрешимой задачей.