Ионосфера постоянно меняется, и, как следствие, распространение радиоволн тоже меняется — знание того, как меняется ионосфера, помогает использовать его наилучшим образом.
ВЧ-радиосвязь использует ионосферу и ионосферное распространение радиоволн, чтобы обеспечить охват по всему миру. Сложность заключается в том, что условия распространения радиоволн в ионосфере постоянно меняются. Иногда можно услышать станции с другой стороны земного шара, тогда как в других случаях радиосвязь возможна только на относительно коротких расстояниях. Эти изменения вызываются многими факторами: различной частотой, временем суток, временем года, положением на земном шаре, состоянием Солнца и множеством других факторов. Хотя сами условия распространения радиоволн находятся вне нашего контроля, существуют способы, с помощью которых можно извлечь наилучшие результаты из преобладающих условий, и вероятность достижения результатов может быть увеличена путем простого выбора таких элементов, как антенны, передающее и приемное оборудование, выбор правильные частоты, правильное время суток и год и т. д. Все это может иметь большое значение для достижения требуемых результатов радиосвязи.
Выбор правильных частот
Одним из основных факторов, влияющих на радиосвязь через ионосферу, является частота падающего сигнала. Именно по этой причине требуется тщательный выбор частоты или полосы частот, чтобы можно было установить требуемую радиосвязь.
Чтобы увидеть, как ионосфера реагирует на сигналы на разных частотах, полезно сначала рассмотреть сигнал в нижней части спектра и увидеть изменения по мере постепенного увеличения частоты. Необходимо помнить, что это резюме следует рассматривать только как очень приблизительное руководство, поскольку природа ионосферы постоянно меняется. Тем не менее, частотная зависимость является одним из ключевых вопросов, и объяснение помогает установить некоторые важные концепции, лежащие в основе использования ионосферного распространения радиоволн. Полезно взять сигнал в нижней части радиоспектра, на который влияет ионосфера, а затем работать вверх по частоте, чтобы посмотреть, что произойдет.
Хорошим примером может служить сигнал в СЧ-диапазоне радиоспектра, такой как широковещательная передача на средних волнах. В дневное время сигнал будет поглощаться областью D, и никакие обнаруживаемые уровни сигнала не смогут достичь более высоких областей ионосферы и вернуться на Землю. Покрытие обычно достигается с использованием сигнала земной волны. Ночью уровень ионизации в области D очень значительно снижается, поскольку излучение, вызывающее ионизацию, удаляется. Это связано с тем, что на высоте области D воздух не слишком разрежен, ионы рекомбинируют, образуя стабильные молекулы.
В результате СЧ-сигналы могут достигать значительно уменьшенной области E области F и отражаться обратно на Землю. Стоит отметить, что уровни ионизации в областях E и F падают, но не в такой степени, как в области D, потому что воздух намного менее плотный и рекомбинация занимает гораздо больше времени. Хотя радиосигналы по-прежнему подвергаются некоторому затуханию, проходя через нижние участки области E, они все еще слышны, и именно по этой причине уровни помех в диапазоне средних волн резко возрастают ночью, поскольку слышны станции из более отдаленных районов.
По мере увеличения частоты сигнала в течение дня обнаруживается, что уровень затухания, вносимого D-областью, начинает падать. Обычно сигналы на частотах 2–3 МГц и выше начинают все больше проникать в область D по мере роста частоты. В конечном счете, радиосигналы могут проходить насквозь и достигать области E, где они отражаются обратно на Землю. Когда это происходит, их слышно на гораздо больших расстояниях, чем это возможно через наземную волну. Следует отметить, что сигналы затухают при каждом прохождении D-области.
По мере дальнейшего увеличения частоты обнаруживается, что уровень затухания, вносимого областью D, падает, а уровни сигналов, отраженных областью Е, начинают расти. Кроме того, сигналы будут проникать дальше в область E и, наконец, пройдут, достигнув области F1. Здесь они снова отразятся обратно на Землю, а затем, при дальнейшем повышении частоты, достигнут области F2. Если частота повышается еще больше, сигнал проникает в F-область еще дальше и в конечном итоге проходит. Сигналы на этих частотах и выше не могут отражаться ионосферой и уходят в космическое пространство.
Угол падения и достижимые расстояния
Большое значение имеет угол, под которым сигнал покидает излучающую антенну относительно Земли и затем достигает ионосферы. Сигналам, достигающим области ионосферы почти параллельно контурам, потребуется небольшое преломление, чтобы вернуть их на Землю. Те, которые достигают областей с почти вертикальным падением, потребуют гораздо большей степени преломления. Также обнаружено, что сигналы, затухающие в D-области, достигают меньшей степени затухания, если длина пути внутри D-области как можно короче. Это означает, что сигналы, поступающие в область D почти параллельно ей, будут ослабляться больше, чем те, которые входят под углом, более близким к вертикали.
Расстояние, которое может быть достигнуто, также зависит от углов, под которыми распространяются сигналы. Из базовой тригонометрии видно, что если сигнал покидает антенну под малым углом излучения, т. е. почти параллельно поверхности Земли, то достигаемые расстояния будут больше, чем сигналы, выходящие с большим углом излучения, т. е. движущиеся под под более крутым углом вверх к ионосфере. Кроме того, чем выше используемая область ионосферы, тем большие расстояния будут достигнуты. Обнаружено, что даже относительно небольшие изменения угла выхода сигнала из антенны могут значительно сократить пройденные расстояния. Максимальное расстояние, которое может быть достигнуто с использованием слоя E, обычно считается равным 2000 км (1250 миль), но оно сокращается до 400 км (250 миль), если угол излучения антенны составляет 20°. Точно так же максимальное расстояние, достижимое при использовании слоя F2, уменьшается примерно с 4000 км (2500 миль) до чуть менее 1000 км (600 миль) при том же угле излучения. Следует отметить, что угол излучения антенны принимается за угол между землей и направлением максимального излучения антенны.
Чтобы иметь возможность разместить максимальное количество энергии там, где это требуется, необходимо иметь направленную антенну. Все антенны излучают больше энергии в одних направлениях, чем в других — истинного изотропного источника, который излучает во всех направлениях, не существует в реальность. Диаграмму излучения антенны можно изобразить на так называемой полярной диаграмме. Для обеспечения оптимальной работы антенна должна быть ориентирована в правильном направлении, а также должна иметь правильный угол излучения, т. е. угол между направлением максимального излучения и поверхностью Земли.
Во многих приложениях, где требуется максимальное расстояние, требуется антенна с малым углом излучения, хотя, особенно для низких частот, на которые может повлиять затухание в области D, это означает, что она проходит через эту область дольше и будет больше страдать. уровни потерь. Не все приложения требуют малого угла излучения. Выбирая частоты и время суток, можно минимизировать затухание в D-области, чтобы сигналы могли распространяться на требуемые расстояния. Радиовещательные станции, в частности, принимают меры к тому, чтобы их антенны имели правильный угол излучения, чтобы сигнал имел оптимальную высоту для достижения требуемой целевой области.
Понимая различные эффекты, происходящие в ионосфере в течение дня, времени года, активности Солнца и т. д., можно получить хорошее представление о том, когда возможна радиосвязь из разных регионов земного шара. Также возможна оптимизация любых антенн для обеспечения необходимой формы угла излучения, направленности и т. д., чтобы излучаемый сигнал использовался там, где он наиболее эффективен.