Ионосферное поглощение радиосигналов

Сигналы поглощаются или ослабляются при распространении через ионосферу — существует несколько способов их ослабления.

Поглощение и затухание радиосигналов ионосферой, очевидно, имеет большое значение. Понимание способов ослабления сигналов позволяет лучше использовать ионосферное распространение для целей радиосвязи. Можно использовать лучшие частоты, лучшее время суток и даже использовать антенны с требуемым углом излучения и т. д., чтобы свести к минимуму потери и тем самым обеспечить лучшую радиосвязь. Поведение ионосферы является одной из ключевых областей, которые следует учитывать при планировании сети или системы радиосвязи или при прогнозировании условий распространения ВЧ.

Способы ослабления сигналов ионосферой

Существует несколько причин ослабления сигналов при их распространении в ионосфере. Хотя не всегда возможно обойти проблемы, понимание того, в чем они заключаются, помогает принять меры, чтобы иметь наилучшие шансы на установление радиосвязи с наилучшей силой сигнала.

Некоторые из основных причин ослабления сигналов включают в себя:

• Расстояние;
• Ослабление в ионосфере — в основном в области D;
• Отражение от поверхностей на земле с плохой отражательной способностью — для нескольких скачков;
• Поляризация;
• Другие мелкие потери.

Существует множество различных форм потерь, возникающих при использовании ионосферного распространения. Все это необходимо учитывать при выборе частоты, времени суток и т. д. для планирования линии радиосвязи, расписания вещания и т. д.

Расстояние пути

Уровень сигнала будет падать по мере увеличения расстояния между приемником и передатчиком. При путешествии в свободном пространстве это можно вычислить с относительной точностью. Однако для ионосферного распространения это не всегда верно, но это хорошая основа для начала расчетов, а затем добавления других потерь и переменных по мере необходимости.

Скорость, с которой падает интенсивность сигнала, обратно пропорциональна квадрату расстояния.

В качестве простого примера это означает, что уровень сигнала радиопередачи будет составлять четверть мощности на расстоянии 2 км по сравнению с уровнем сигнала на расстоянии 1 км. Если радиосигнал находится под влиянием других факторов, базовая формула может быть изменена с учетом этого. Важно помнить, что при некоторых обстоятельствах могут существовать туннели распространения, которые могут действовать как форма волновода, и они могут приводить к значениям показателя степени потерь на трассе менее 2. Хотя фактические потери сильно различаются, они всегда будут увеличиваться с расстоянием.

Ионосферное поглощение/затухание

Ионосфера обычно рассматривается как область, в которой радиоволны коротковолнового диапазона преломляются или отражаются обратно на Землю. Однако также обнаружено, что сигналы уменьшаются по силе или затухают по мере прохождения через эту область. На самом деле ионосферное поглощение может быть одним из основных факторов снижения мощности сигналов. Наибольшее затухание происходит в области D. Некоторое количество присутствует в областях E и F, но уровень намного меньше, чем в области D, и его обычно можно игнорировать.

Когда сигналы попадают в область D, они передают энергию электронам и приводят их в движение, вибрируя в соответствии с радиосигналом. Когда электроны колеблются таким образом, они могут сталкиваться с другими молекулами, ионами или электронами. Каждый раз, когда происходит столкновение, рассеивается небольшое количество энергии, и это проявляется как потеря силы сигнала. Количество теряемой энергии зависит в первую очередь от количества столкновений. В свою очередь, это также зависит от ряда других факторов. Во-первых, это количество других присутствующих молекул, электронов и ионов. В области D плотность воздуха относительно высока, поэтому вокруг много других молекул и велико число столкновений.

Второй фактор – частота сигнала. С уменьшением частоты увеличивается смещение колебаний и количество столкновений. Фактически обнаружено, что величина ионосферного поглощения изменяется обратно пропорционально квадрату частоты. Другими словами, если частоту увеличить вдвое, то затухание упадет в четыре раза. Это одна из основных причин, почему, когда несколько диапазонов или частот поддерживают ВЧ-распространение между двумя радиостанциями, наиболее высокий из них даст лучшие результаты. Установлено также, что уровень затухания сигналов в средневолновом диапазоне радиовещания настолько высок, что днем, когда присутствует область D, сигналы через нее отсутствуют, а сигналы распространяются только по земной волне. Ночью, когда область D исчезает, сигналы слышны гораздо дальше.

Влияние угла излучения

Угол излучения сигнала от антенны также может иметь большое влияние на затухание сигнала. Угол излучения — это угол между траекторией сигнала и землей. Малый угол излучения означает, что сигнал движется к горизонту, а больший — что он движется вверх. У малого угла излучения есть некоторые преимущества с точки зрения простоты достижения больших расстояний. Геометрия диктует, что малый угол излучения антенны позволит достичь больших расстояний. Недостатком малого угла излучения с точки зрения потери сигнала является то, что путь прохождения сигнала будет находиться в пределах области D на большем расстоянии, и, следовательно, потери будут больше при наличии области D. Малые углы излучения имеют свои преимущества и недостатки, но в целом радиосвязь на большие расстояния достигается с помощью меньшего угла излучения.

Интересно отметить, что вещательные компании, использующие КВ-диапазоны, адаптируют антенну, чтобы обеспечить требуемый угол излучения и направление луча для нацеливания на требуемую область. Потери в области D будут частью используемых расчетов и оптимизаций, уравновешивая потери в области D с временем суток, основной областью ионосферы для отражений и т.п. Для других приложений радиосвязи часто требуются максимальные расстояния, поэтому часто используются антенны, обеспечивающие малый угол излучения. Тем не менее, в ситуациях, когда ионосферная волна с почти вертикальным падением используется для обеспечения относительно локального покрытия, часто используются дипольные антенны, которые относительно направлены, чтобы обеспечить очень большой угол излучения. Здесь потери в области D будут ниже, чем во многих других приложениях.

Потери от отражений от Земли

Можно было бы ожидать потерь, когда сигналы от ионосферы снова отражаются вверх, когда сигнал подвергается многократному отражению. Для каждого отражения от Земли вносится определенная степень потерь, но фактическая величина потерь будет зависеть от множества факторов. Земля является несовершенным отражателем, но разные области будут отражать сигналы с разным уровнем потерь: как правило, области, которые являются хорошими проводниками электрического тока, лучше, чем те, которые являются более плоскими.

Лучше всего подходят морская вода или плоские заболоченные участки. Сухие песчаные пустыни очень плохи, а горные районы с очень пересеченной местностью будут иметь тенденцию к рассеянию сигнала во многих направлениях, что тоже будет не таким хорошим. Это означает, что сигналы, отраженные в Атлантическом или Тихом океанах и т. д., вероятно, будут намного сильнее, чем сигналы, отраженные пустынным регионом, таким как Сахара и т. д.

Поляризационная потеря

Существует определенное количество потерь или затухания, вызванное изменением поляризации сигналов, возвращаемых из ионосферы. Это происходит потому, что обнаружено, что поляризация сигнала может быть изменена ионосферой. Передаваемые радиосигналы, поступающие в ионосферу от наземных антенн, обычно имеют линейную поляризацию. Однако воздействие ионосферы на магнитное поле Земли приводит к тому, что возникающий сигнал имеет эллиптическую поляризацию, а не линейную поляризацию, и имеет ту же поляризацию, что и сигнал передатчика.

Часто поляризационные потери группируются вместе с другими формами потерь относительно низкого уровня. Степень этих потерь зависит от ряда факторов, включая геомагнитную широту, время года, время суток и длину пути прохождения сигнала. Обычно эти потери могут составлять около 9 дБ, но могут быть больше или меньше.

Применение убытков

Понимание потерь и затухания, возникающих при использовании ионосферного распространения для линий радиосвязи, необходимо использовать для улучшения характеристик. Хотя многие потери фиксированы и во многих случаях ничего нельзя сделать, есть несколько аспектов операции, которые можно изменить. Антенны, частоты, время суток и тому подобное.

Поскольку сигнал проходит через область D каждый раз, когда он отражается, одна из основных причин потерь зависит от количества отражений. Это может быть очень важно, поскольку сигнал должен проходить через слой D дважды при каждом отражении, а при более чем одном переходе сигнал проходит через область D несколько раз. Как уже упоминалось, затухание уменьшается с частотой. Помимо того факта, что высокочастотные тракты с большей вероятностью используют слой F2 и имеют меньше отражений, высокочастотный тракт также будет страдать от меньших потерь из-за слоя D. Это будет означать, что сигнал на частоте 30 МГц, например, будет сильнее, чем сигнал на частоте 15 МГц, при условии, что распространение может поддерживаться на обеих частотах.

Следует также помнить, что длина пути для сигнала многократного отражения будет больше, чем расстояние по большому кругу вокруг земного шара, особенно если используются большие углы излучения. Это само по себе увеличивает потери сигнала, поскольку потери пропорциональны длине пути. Потеря сигнала является неотъемлемой частью работы в диапазонах ВЧ с использованием ионосферного распространения. Понимание того, что такое потери и что вызывает поглощение и т. д., помогает лучше понять, чего ожидать. Тем не менее, иногда могут быть предприняты шаги, которые помогут уменьшить потери и улучшить уровни мощности сигнала для системы радиосвязи.