Радиоволны – разновидность электромагнитных волн, существование которых предсказал в 1864 г. британский физик, математик и механик Джеймс Клерк Ма́ксвелл, автор теории электромагнитного поля.

Теория Максвелла

Джеймс Клерк Максвелл

Обобщив результаты исследований, проведенных до него в области электрических и магнитных полей, Максвелл предположил, что переменные магнитные поля порождают электрические поля, а переменные электрические поля порождают магнитные и т.д. Вначале одно из этих полей создаётся каким-то внешним источником, а затем, вызывая появление друг друга, они словно отрываются от первоначального источника и существуют независимо от него, распространяясь дальше в пространстве в виде электромагнитных волн.

К сожалению, знаменитому учёному не суждено было экспериментально подтвердить свою блестящую теорию, объединившую описание всех явлений электричества и магнетизма. Это сделал позже другой учёный.

Опыт Герца

Генрих Рудольф Герц

Впервые на практике существование электромагнитных волн доказал в 1887 г. немецкий физик Ге́нрих Ру́дольф Герц, работавший в то время профессором физики технического университета в Карлсруэ. Следует сказать, что Герц взялся за этот эксперимент вовсе не потому, что был согласен с Максвеллом. Как раз наоборот, он предполагал, что Максвелл ошибался, и электромагнитных волн в действительности нет. Это он и хотел доказать.

Согласно теории Максвелла источником электромагнитных волн могут быть колеблющиеся электрические частицы. Для это цели используют простейший колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности.

Излучателем электромагнитных волн (если они существуют) в первом опыте Герца должен был служить электрический разряд, возникающий между двумя шарами из латуни, укреплёнными на концах металлических стержней. В опытной установке шары, выполнявшие роль конденсатора, разделялись небольшим зазором, а сами стержни были объединены между собой катушкой индуктивности. В шарах накапливались электрические заряды.

На расстоянии нескольких метров от первого контура располагался второй контур, не соединённый с первым и представлявший собой незамкнутое проволочное кольцо с такими же латунными шариками на концах и с таким же искровым зазором, как и в первом контуре. Это был простейший резонатор – прибор для улавливания электромагнитных волн.

В некоторый момент между шариками первого контура проскакивали искры. И если электромагнитных волн в природе нет, разряда во втором контуре не должно быть. Но во время опыта между шариками второго контура такой разряд появлялся тоже. Это означало, что электромагнитные волны всё-таки существуют. И их энергию можно передавать без проводов.

Опыт Герца по обнаружению электромагнитных волн

Герц провёл серию опытов, которыми подтвердил теорию Максвелла . Он установил, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света. Более того, исследовав распространение этих волн, он доказал, что они ведут себя так же, как волны света и подчиняются законам отражения и преломления.

Но он не представлял, как это можно применить на практике. И свои открытия считал абсолютно бесполезными. «Маэстро Максвелл был прав», - так сказал студентам Герц. «Электромагнитные волны существуют, но мы не можем видеть их глазом». А на вопрос «Что же дальше?» он ответил: «Полагаю, что ничего».

В научной среде открытие Герца было названо началом новой «электрической эры».

Впоследствии из всего спектра электромагнитных волн был выделен диапазон радиоволн , которые стали использовать для передачи радиосигналов.

Диапазон радиоволн

Таблица диапазонов радиоволн

Все электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью, равной скорости света. Различаются они длиной волны, или частотой. Между ними нет резкой границы. Одна разновидность электромагнитных волн плавно переходит в другую.

В зависимости от длины волны, весь спектр электромагнитных волн условно делится на гамма-излучение, рентгеновское излучение, видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны.

Самую короткую длину волны, всего 2·10 −10 м, имеет гамма-излучение. Все электромагнитные волны, длина которых превышает длину волны инфракрасного света и находится в диапазоне от 1 мм до 100 км, относятся к радиоволнам. Это электромагнитные волны, которые используются в радиотехнике. Их частота колеблется в диапазоне 3 кГц - 300 ГГц.

Согласно международным соглашениям весь спектр радиоволн разбивается на следующие диапазоны: децимиллиметровые, миллиметровые, сантиметровые, дециметровые, метровые, декаметровые, гектометровые, километровые, мириаметровые.

Миллиметровые волны

Волны, имеющие длину от 1 мм до 1 см, называются миллиметровыми . Их частота находится в диапазоне от 30 до 300 ГГц и называется крайне высокой (КВЧ). Такие волны используют в радиолокации, космической связи, радиоастрономии.

Спектр радиоволн, используемых для радиовещания, принято делить на ультракороткие, короткие, средние, длинные и сверхдлинные волны.

Ультракороткие волны

К ультракоротким относят сантиметровые, дециметровые и метровые волны.

Волны длиной от 1 см до 10 см и частотой от 3 до 30 ГГц (сверхвысокие частоты КВЧ) называются сантиметровыми . Этот диапазон используют для передачи данных через радиоэфир в спутниковых каналах связи, беспроводных компьютерных сетях Wi – Fi , в радиолокации и радиосвязи.

Волны с длиной волны в интервале от 10 см до 1 м, частотой 300-3000 МГц называются дециметровыми, а их частота ультравысокой частотой (УВЧ). Они используются в радиосвязи, телевидении, рациях, мобильных телефонах, микроволновых печах.

Волны, длина которых колеблется от 1 м до 10 м, называются метровыми . Чаще всего их используют для радиосвязи, телевидения и радиовещания на коротком расстоянии.

Короткие волны

Короткие волны – это волны в диапазоне от 10 до 100 м. Их называют декаметровыми волнами.

Средние волны

Средние, или гектометровые, волны занимают диапазон от 100 м до 1 км.

Длинные волны

Длинные , или километровые, волны находятся в интервале от 1 км до 10 км.

Короткие, средние, и длинные радиоволны волны применяются в радиовещании и радиосвязи.

Сверхдлинные волны

Все радиоволны, длина которых превышает 10 км, называются сверхдлинными . Их разделяют на мириаметровые (длина волны от 10 км до 100 км), гектокилометровые (в интервале от 100 км до 1000 км), мегаметровые (от 1000 км до 10 000 км) и декамегаметровые (от 10 000 км до 100 000 км).

Сверхдлинные радиоволны используются для связи с подводными лодками.

Децимиллиметровые волны

Отдельно нужно сказать о децимиллиметровых волнах. Такими считаются волны длиной от 0,1 мм до 1 мм. Их называют также субмиллиметровыми . Это вид электромагнитного излучения, спектр частот которого располагается между инфракрасным и сверхвысокочастотным излучением, включающим в себя диапазон дециметровых, сантиметровых и миллиметровых радиоволн. Хотя по международной классификации оно относится к радиоволнам, применяют его в основном в медицине и системах безопасности. В отличие от рентгеновского, оно безопасно для организма человека, поэтому используется в приборах для сканирования органов человеческого тела. В аэропортах с его помощью «просвечивают» багаж пассажиров. В физике его называют терагерцевым излучением из-за высокой частоты, расположенной в диапазоне 10 11 -10 13 Гц.

Оценка дальности радиосвязи:

1. Сверхдлинные волны - СДВ> 1000 км;

2. Длинные волны - ДВ=1000км;

3. Средние волны - СВ=400км;

4. Короткие, волны - КВ=20000км;

5. Ультракороткие волны - УКВ= 70 км.

Ионосфера является отражающим слоем для длинных, средних и частично коротких волн. Обладая хорошей дифракционной способностью, радиоволны этих диапазонов (особенно СДВ и ДВ), могут преодолевать значительные расстояния. Данные диапазоны используются для международного радиовещания, навигации.

Сигналы в диапазоне КВ в наибольшей степени подвержены влиянию промышленных помех, помех от бытовых приборов, радиовещательных и телевизионных передатчиков. Применение оборудования данного диапазона оптимально в сельской местности, где уровень помех значительно ниже, чем в условиях плотной городской застройки. Диапазон характеризуется хорошим огибанием неровностей ландшафта и распространением за пределы прямой видимости. Хорошие результаты по дальности связи получаются между стационарными объектами. Автомобильные и портативные радиостанции станции имеют меньшую дальность связи из-за малой эффективности антенн, так как длина волны много больше длины антенны.

Диапазон УКВ - один из самых универсальных диапазонов. Оборудование этого диапазона прекрасно работает как в сельской местности, так и в условиях городской застройки. Ультракороткие волны проходят ионосферу почти беспрепятственно, поэтому считается, что УКВ радиосвязь осуществляется поверхностной волной в пределах прямой видимости, т.к. эти волны почти не обладают свойством дифракции.

По этой же причине за некоторыми отдельно стоящими препятствиями образуются радиотеневые зоны , когда же их целый комплекс (городской массив), то радиосвязь в зоне радиотени осуществляется за счет прихода волн, многократно отразившихся от стоящих рядом с абонентом сооружений. Т.к. данный диапазон радиоволн имеет недостаточное загоризонтное распространение, то для увеличения дальности радиосвязи требуется большая высота установки антенны базовой радиостанции. Портативные станции работают достаточно успешно на открытой местности, но в условиях плотной городской застройки качество связи существенно снижается. Эффективность спиральных антенн достаточно высока, но, все же, не максимальна из-за разницы длины волн и геометрических размеров антенн. В общем случае устойчивая дальность связи поверхностной волны составляет около 70 км. Дальность связи УКВ увеличивается за счет рефракции, преломления радиоволн в нижних слоях атмосферы ввиду неоднородности слоев, а также за счет появления в ионосфере участка с повышенной ионизацией, которые чаще всего проявляют себя в период солнечной активности.

Диапазон ДМВ считается «городским» и проявляет свои лучшие качества в условиях плотной городской застройки. Выбор этого диапазона оптимален при необходимости получения устойчивой связи на небольших расстояниях, например, в черте города. Даже при использовании портативных радиостанций обеспечивается устойчивая связь с минимальным количеством «мертвых» зон. Для открытой местности ДМВ не очень удобен, так как радиоволны этого диапазона плохо огибают неровности рельефа и имеют сильное затухание в лесистой местности. Для получения большой дальности связи потребуются очень высокие точки установки антенн базовых станций.

Сантиметровые волны, чаще всего, используются для организации космической связи, в связи с хорошей проходимостью радиоволнами этого диапазона ионосферных слоев. Более высокие частотные диапазоны радиоволн пока еще не освоены для применения.

В деятельности пожарно-спасательных подразделений для организации радиосвязи наибольшее применение нашли радиоволны УКВ диапазона, реже используется КВ диапазон. Основные преимущества УКВ связи в том, что связь в этом диапазоне более устойчивая и практически не зависит от времени суток и погоды, в этом диапазоне относительно низкий уровень индустриальных помех, а особенности распространения УКВ позволяют использовать одни и те же частоты в соседних гарнизонах. Антенные устройства УКВ диапазона имеют значительно меньшие габариты, чем антенны КВ связи, и тем более антенны диапазонов СВ и ДВ, что немаловажно для организации радиосвязи в городских условиях.

Зона устойчивой радиосвязи диапазона УКВ зависит от многих факторов, и в связи с тем, что специфика деятельности пожарно-спасательных подразделений подразумевает организацию радиосвязи, как правило, в городских условиях, то дальность связи в ряде случаев оказывается существенно меньше указанной на рисунке 3.8. Необходимо правильно выбирать места для работы с радиостанциями.

Рис. 3.8. Ориентировочная дальность УКВ радиосвязи

между различными типами радиосредств

Факторы, влияющие на дальность УКВ связи:

1) Мощность передатчика, Вт.

2) Чувствительность приемника, мкВ.

3) Глубина шумоподавления.

4) Рельеф местности.

5) Высота подъема и конструкции антенн.

6) Промышленные помехи, электроустановки ЛЭП.

7) Препятствия и экранизирующие конструкции, каменные и железобетонные здания, металлические сооружения.

Преимущества УКВ: не зависит от времени суток, много каналов радиосвязи, работа областей на одних частотах.

Коротковолновая связь используется для связи с удаленными подразделениями на расстоянии свыше 50 км. Эффективность КВ-радиосвязи особенно очевидна в гарнизонах, имеющих большую территорию и значительную удаленность подразделений друг от друга (Сибирь, Дальний восток, север европейской части). В ряде случаев больший эффект, чем КВ-связь, достигается использованием диапазона сантиметровых волн, используемого в спутниковых системах радиосвязи.

Для организации административной связи в настоящее время все чаще используется диапазон дециметровых волн. Для этих целей в большинстве случаев в настоящее время эффективнее использование достаточно большой и стремительно развивающейся инфраструктуры сетей связи поставщиков услуг мобильной связи общего назначения (сотовые системы). Для решения служебных задач эффективно могут использоваться системы современной профессиональной радиосвязи (транкинговые системы). Для организации ведомственных сетей сухопутной подвижной радиосвязи на территории Российской Федерации для работы различных служб выделены частотные диапазоны, указанные в таблице 3.2. Разрешение на использование радиочастот оформляются подразделениями радиочастотной службы, а правомерность их использования входит в компетенцию надзора за связью. Обе структуры являются государственными организациями, осуществляющими регулирование отраслью связи. В целом в настоящее время наблюдается тенденция использования радиоволн более высокого частотного диапазона, где практически нет индустриальных помех и значительно уменьшены проблемы, связанные с нехваткой частотного диапазона для организации радиосвязи.

КВ (короткие волны) – это спектр радиочастот, перекрывающие промежуток от 1.6 до 30 МГц. В пределах данного спектра частот наиболее эффективная форма модуляции – SSB (Одна боковая полоса с частично подавленной несущей). Данный вид модуляции совместно с использованием ионосферы – слоя ионизированных газов на расстоянии 100 – 700 км от поверхности земли, обеспечивает наиболее эффективную радиосвязь как на короткие и средние, так и на дальние расстояния. При этом нет необходимости использовать дорогостоящие устройства ретрансляции, например УКВ репитеры или спутники, которые резко увеличивают “стоимость” радиосвязи и усложняют ее физическую инфраструктуру.

В большинстве удаленных районов единственно возможный вид радиосвязи – это SSB на КВ.

Прохождение на КВ

Когда трансивер генерирует КВ/SSB радиоволны, они делятся на две компоненты:

• Пространственная волна, которая двигается по поверхности земли от передающей антенны к приемной.
• Отраженная волна, которая излучается с некоторым углом от антенны, достигает слоя ионосферы (слоя ионизированных газов над поверхностью земли) и отражается от нее назад на землю к приемной антенне.

В общем случае пространственная волна используется для связи на короткие расстояния до 50 км. Поскольку пространственная волна огибает поверхность земли, на ее распространение влияет тип почвы, над которой она проходит. Уровень пространственной волны достаточно резко снижается при ее распространении над лесными массивами и гористыми местностями.

Отраженная волна используется для установления радиосвязей на средние и дальние расстояния до 3000 км. Благодаря своей природе распространение отраженной волны не зависит от типа почвы, однако, зависит от факторов, влияющих на ионосферу.

Схемы прохождения радиоволн

На приведенных ниже рисунках показаны характеристики пространственной и отраженной волны днем и ночью. В каждом случае схематически показана высота ионосферы

На обоих рисунках станция А устанавливает радиосвязи со станциями B, C, D. Радиосвязь между станциями А и В осуществляется с помощью пространственной волны. На рисунке видно, что связь между этими станциями не зависит от времени суток и высоты ионосферы над землей.

Связь между станциями А и C, D обеспечивается за счет отраженной волны, а потому зависит от времени суток и высоты ионосферы над землей.

Рекомендации по выбору рабочей частоты приведены под каждым рисунком. Учитывайте, что данные сведения могут меняться в зависимости от времени года и других факторов. Данные примеры приведены как общие положения и могут на практике существенно отличаться.

День

Поскольку солнце находится высоко, слой ионосферы тоже находится высоко – рекомендуется использовать более высокочастотный участок КВ:

А – С Оптимальная рабочая частота в пределах 7-9 Мгц
A – D Оптимальная рабочая частота в пределах 13-16 Мгц

Ночь

Поскольку солнце находится низко, слой ионосферы тоже находится низко – рекомендуется использовать более низкочастотный участок КВ:
А – В Оптимальная рабочая частота 3 Мгц
А – С Оптимальная рабочая частота в пределах 5-7 Мгц
A – D Оптимальная рабочая частота в пределах 9-12 Мгц

Факторы, влияющие на качество связи КВ/SSB

Существует некоторый набор различных факторов влияющих на качество радиосвязи на КВ/SSB. Они приведены ниже:

Выбор частоты

Выбор частоты является наиболее главным фактором для успешной радиосвязи в диапазоне КВ. В общем случае, чем большее расстояние вам необходимо перекрыть, тем выше частоты вам необходимо использовать.

Время суток

Есть правило, чем выше солнце, тем более высокую частоту необходимо использовать. Это означает, что если обычно вы используете низкие частоты для радиосвязи ранним утром, поздним днем и вечером, то, например, для покрытия тех же расстояний в полдень вам необходимо будет использовать более высокую частоту. Необходимо очень внимательно соблюдать данное правило, особенно если ваш трансивер содержит ограниченное число рабочих частот, а потому эффективная радиосвязь возможна, лишь в отдельное время суток.

Погодные условия

Погодные условия также оказывают влияние на качество радиосвязи КВ/SSB. При приближении бури к вашему месторасположению шум эфира резко усиливается, как результат статических разрядов молний. В этом случае, шум эфира может увеличиться до такого уровня, что прием желаемых сигналов будет не возможен.

Электрические помехи

Помехи электрической природы могут быть вызваны перегрузкой линий питания, сверхмощными генераторами, кондиционерами, термостатами, холодильниками и двигателями автомобиля, если они расположены очень близко к вашей антенне. В результате работы подобных приборов в трансивере может резко увеличиться уровень шума эфира.

Компоновка системы и ее установка

Метод, с помощью которого ваша система будет сконфигурирована и установлена, тоже оказывает влияние на качество радиосвязи. Выбор антенны и источника питания при этом крайне критичен. Корректная установка тоже важна. Установка трансивера для работы на КВ/SSB существенно отличается от установки трансиверов для работы на УКВ. Качество радиосвязи в дальнейшем зависит от того, насколько точно вы выполните все инструкции по установке трансивера и антенн.

Дополнительные сведения

Радиосвязь с использование SSB трансивера на КВ будет отличаться от использования любой станции на УКВ или СВЧ. Это происходит благодаря отличию природы КВ радиосвязи и использованию различных видов модуляции. При использовании SSB на КВ вы всегда будете прослушивать некоторые шумы на фоне принимаемого сигнала, причем уровень этих шумов может меняться в зависимости от электрических помех и штормовой активности в вашей местности.

Радиоволны, и их распространение, являются неоспоримой загадкой для начинающих любителей эфира. Здесь можно познакомиться с азами теории распространения радиоволн. Данная статья предназначена для ознакомления начинающих любителей эфира, а также и для тех, кто имеет некоторое представление о нём.

Самая главная вводная, про которую часто забывают сказать, прежде чем познакомить с теорией распространения радиоволн, так это то, что радиоволны распространяются вокруг нашей планеты за счет отражения от ионосферы и от земли как от полупрозрачных зеркал отражается луч света.

Особенности распространения средних волн и перекрёстная модуляция

К средним волнам относятся радиоволны длиной от 1000 до 100 м (частоты 0,3 — 3,0МГц). Средние волны используются главным образом для вещания. А так же они являются колыбелью отечественного радиопиратства. Они могут распространяться земным и ионосферным путём. Средние волны испытывают значительное поглощение в полупроводящей поверхности Земли, дальность распространения земной волны 1, (см. рис. 1), ограничена расстоянием 500-700 км. На большие расстояния радиоволны 2 и 3 распространяются ионосферной (пространственной) волной.

В ночное время средние волны распространяются путем отражения от слоя Е ионосферы (см. рис. 2), электронная плотность которого оказывается достаточной для этого. В дневные часы на пути распространения волны расположен слой D, чрезвычайно сильно поглощающий средние волны. Поэтому при обычных мощностях передатчиков, напряженность электрического поля недостаточна для приема, и в дневные часы распространение средних волн происходит практически только земной волной на сравнительно небольшие расстояния, порядка 1000 км. В диапазоне средних волн, более длинные волны испытывают меньшее поглощение, и напряженность электрического поля ионосферной волны больше на более длинных волнах. Поглощение увеличивается в летние месяцы и уменьшается в зимние. Ионосферные возмущения не влияют на распространение средних волн, так как слой Е мало нарушается во время ионосферно-магнитных бурь.

В ночные часы см. рис. 1, на некотором расстоянии от передатчика (точка В), возможен приход одновременно пространственной 3 и поверхностной волн 1, причем длина пути пространственной волны меняется с изменением электронной плотности ионосферы. Изменение разности фаз этих волн приводит к колебанию напряженности электрического поля, называемому ближним замиранием поля.

На значительное расстояние от передатчика (точка С) могут прийти волны 2 и 3 путем одного и двух отражений от ионосферы. Изменение разности фаз этих двух волн также приводит к колебанию напряженности электрического поля, называемому дальним замиранием поля.

Для борьбы с замираниями на передающем конце линии связи применяются антенны, у которых максимум диаграммы направленности «прижат» к земной поверхности, к ним можно отнести простейшую антенну «Inverted-V», достаточно часто применяемую радиолюбителями. При такой диаграмме направленности зона ближних замираний удаляется от передатчика, а на больших расстояниях поле волны, пришедшей путем двух отражений, оказывается ослабленным.

К сожалению не все начинающие радиовещатели, работающие в диапазоне частот 1600-3000кГц знают, что слабый сигнал от маломощного передатчика подвержен ионосферным искажениям. Сигнал от более мощных радиопередатчиков ионосферным искажениям подвержен меньше. Ввиду нелинейной ионизации ионосферы, происходит модуляция слабого сигнала модулирующим напряжением сигналов мощных станций. Это явление называется перекрестной модуляцией. Глубина коэффициента модуляции достигает 5-8%. Со стороны приема создаётся впечатление не качественно выполненного передатчика, со всевозможными гулами и хрипами, особенно это заметно в режиме АМ модуляции.

За счет перекрестной модуляции в приемник часто проникают интенсивные грозовые помехи, которые невозможно отфильтровать — грозовой разряд модулирует принимаемый сигнал. Именно по этой причине радиовещатели для проведения двусторонней радиосвязи стали применять однополосные передатчики и стали чаще работать на более высоких частотах. Зарубежные радиовешатели СВ станций, умощняют их, и подвергают компрессии модулирующие сигналы, а для неискаженной работы в эфире, применяют инверсные частоты.

Явления демодуляции и перекрестной модуляции в ионосфере наблюдаются только в диапазоне средних волн (СВ). В диапазоне коротких волн (КВ) скорость электрона под действием электрического поля ничтожно мала по сравнению с его тепловой скоростью и присутствие поля не меняет числа столкновений электрона с тяжелыми частицами.

Наиболее благоприятны, в диапазоне частот от 1500 до 3000кГц для дальних связей, являются зимние ночи и периоды минимума солнечной активности. Особо дальние связи, более 10000 км, обычно возможны в часы захода и восхода солнца. В дневные часы связь возможна на расстояние до 300 км. Свободные радиовещатели FM диапазона могут только позавидовать таким большим радиотрассам.

В летнее время на этом диапазоне часто мешают помехи от статических разрядов в атмосфере.

Особенности распространения коротких волн и их характеристики

К коротким волнам относятся радиоволны длиной от 100 до 10 м (частоты 3-30 МГц). Преимуществом работы на коротких волнах по сравнению с работой на более длинных волнах является то, что в этом диапазоне можно легко создать направленные антенны. Короткие волны могут распространяться как земные, в низкочастотной части диапазона, и как ионосферные.

С повышением частоты сильно возрастает поглощение волн в полупроводящей поверхности Земли. Поэтому при обычных мощностях передатчика земные волны коротковолнового диапазона распространяются на расстояния, не превышающие нескольких десятков километров. На морской глади, это расстояние значительно увеличивается.

Ионосферной волной короткие волны могут распространяться на многие тысячи километров, причем для этого не требуется передатчиков большой мощности. Поэтому в настоящее время короткие волны используются главным образом для связи и вещания на большие расстояния.

Короткие волны распространяются на дальние расстояния путем отражения от ионосферы и поверхности Земли. Такой способ распространения называют скачковым см. рис. 2 и характеризуется расстоянием скачка, числом скачков, углами выхода и прихода, максимальной применимой частотой (МПЧ) и наименьшей применимой частотой (НПЧ).

Если ионосфера однородна в горизонтальном направлении, то и траектория волны симметрична. Обычно излучение происходит в некотором спектре углов, так как ширина диаграммы направленности коротковолновых антенн в вертикальной плоскости составляет 10-15°. Минимальное расстояние скачка, для которого выполняется условие отражения, называют расстоянием зоны молчания (ЗМ). Для отражения волны необходимо, чтобы рабочая частота была не выше значения, максимально применимой частоты (МПЧ), являющаяся верхней границей рабочего диапазона для данного расстояния. Волна 4.

Применение антенн зенитного излучения, как один из приёмов уменьшения зоны молчания, ограничивается понятием максимально применимой частоты (МПЧ) с учётом снижения её на 15-20% от МПЧ. Антенны зенитного излучения применяют для вещания в ближней зоне методом односкачкового отражения от ионосферы.

Второе условие ограничивает рабочий диапазон снизу: чем ниже рабочая частота (в пределах коротковолнового диапазона), тем сильнее поглощение волны в ионосфере. Наименьшую — применимую частоту (НПЧ) определяют из условия, что при мощности передатчика в 1кВт, напряженность электрического поля сигнала должна превышать уровень шумов, а следовательно, поглощение сигнала в слоях ионосферы должно быть не больше допустимого. Электронная плотность ионосферы меняется в течение суток, в течение года, и периода солнечной активности. Значит, изменяются и границы рабочего диапазона, что приводит к необходимости изменения рабочей длины волны в течение суток.

Диапазон частот 1,5–3 МГц, является ночным. Понятно, что для успешного проведения сеанса радиосвязи нужно каждый раз правильно выбирать частоту (длину волны), к тому же это усложняет конструкцию станции, но для настоящего ценителя дальних связей это не является трудностью, это часть хобби. Проведём оценку КВ диапазона по участкам.

Диапазон частот 5-8 мГц, во многом схож с диапазоном 3 мГц, и в отличае от него, здесь в дневное время можно связаться до 2000 км, зона молчания (ЗМ) отсутствует и составляет несколько десятков километров. В ночные часы возможна связь на любое расстояние за исключением ЗМ, которая увеличивается до нескольких сот километров. В часы смены времени суток (заход/восход), наиболее удобны для дальних связей. Атмосферные помехи менее выражены, чем в диапазоне 1,5-3 мГц.

В диапазоне частот 10-15 мГц в периоды солнечной активности возможны связи в дневное время суток практически с любой точкой земного шара. Летом продолжительность радиосвязи в этом диапазоне частот бывает круглосуточной, за исключением отдельных дней. Зона молчания ночью имеет расстояния в 1500-2000 км и по этому возможны только дальние связи. В дневное время они уменьшаются до 400-1000 км.

Диапазон частот 27-30 мГц пригоден для связи только в светлое время суток. Это самый капризный диапазон. Он обычно открывается на несколько часов, дней или недель особенно при смене сезонов, т.е. осенью и весной. Зона молчания (ЗМ) достигает 2000-2500 км. Это явление относится к теме МПЧ, здесь угол отраженной волны должен быть малым по отношению к ионосфере, иначе он имеет большое затухание в ионосфере, или простой уход в космические просторы. Малые углы излучения соответствуют большим скачкам и соответственно большим зонам молчания. В периоды максимума солнечной активности возможна связь и ночью.

Помимо перечисленных моделей, возможны случаи аномального распространения радиоволн. Аномальное распространение может возникнуть при появлении на пути волны спорадического слоя, от которого могут отражаться более короткие волны, вплоть до метровых. Это явление можно наблюдать на практике прохождением дальних телестанций и FM радиостанций. МПЧ радиосигнала в эти часы доходит до 60-100 мГц в годы солнечной активности.

В диапазоне УКВ FM, за исключением редких случаев аномального распространения радиоволн, распространение обусловлено строго так называемой «прямой видимостью». Распространение радиоволн в пределах прямой видимости говорит само за себя, и обусловлено высотой расположения передающей и приёмной антенн. Понятно, что в условиях городской застройки ни о какой визуальной и прямой видимости говорить нельзя, но радиоволны проходят сквозь городские застройки с некоторым ослаблением. Чем выше частота, тем выше затухание в городских застройках. Диапазон частот 88-108 МГц так же подвержен некоторым затуханиям в условиях города.

Замирание радиосигналов диапазона КВ

Приём коротких радиоволн всегда сопровождается измерением уровня принимаемого сигнала, причем это изменение носит случайный и временной характер. Такое явление называют замираниями (федингом) радиосигнала. В эфире наблюдаются быстрые и медленные фединги сигнала. Глубина фединга может достигать до нескольких десятков децибел.

Основной причиной быстрых замираний сигнала является многолучевое распространение радиоволн. В этом случае причиной федингов служит приход в точку приема двух лучей, распространяющихся путем одного и двух отражений от ионосферы, волна 1 и волна 3, см. рис 2.

Поскольку лучи проходят различные пути по расстоянию, фазы прихода их неодинаковы. Изменения электронной плотности, непрерывно происходящие в ионосфере, приводят к изменению длины пути каждого из лучей, а следовательно, и к изменению разности фаз между лучами. Для изменения фазы волны на 180° достаточно, чтобы длина пути изменилась всего на ½. Следует напомнить, что при приходе лучей одного сигнала в точку приёма с одинаковой силой и с разностью фаз на 180°, они полностью вычитаются по закону векторов, а сила приходящего сигнала в этом случае может быть равна нулю. Такие незначительные изменения длины пути могут происходить непрерывно, поэтому, колебания напряженности электрического поля в диапазоне коротких волн являются частыми и глубокими. Интервал их наблюдения в 3-7 минут может составлять на низких частотах КВ диапазона, и до 0,5 секунд на частотах ближе к 30 МГц.

Помимо этого, фединг сигнала вызываются рассеянием радиоволн на не однородностях ионосферы и интерференцией рассеянных волн.

Кроме интерференционных федингов, на коротких волнах, имеют место поляризационные фединги. Причиной поляризационных федингов является поворот плоскости поляризации волны относительно принимаемой антенны. Это происходит при распространении волны в направлении силовых линий магнитного поля Земли, и с изменением электронной плотности ионосферы. Если передающая и приемная антенны представляют собой горизонтальные вибраторы, то излученная горизонтально — поляризованная волна, после прохождения в ионосфере претерпит поворот плоскости поляризации. Это приводит к колебаниям э. д. с., наводимой в антенне, которое имеет дополнительное затухание до 10 дБ.

На практике все указанные причины замираний сигнала действуют, как правило, комплексно и подчиняются описанным законом распределения Релея.

Помимо быстрых замираний, наблюдаются медленные замирания, которые наблюдаются с периодом в 40-60 мин в низкочастотной части КВ диапазона. Причиной этих федингов является изменение поглощения радиоволн в ионосфере. Распределение огибающей амплитуды сигнала при медленных замираниях подчиняется нормально логарифмическому закону с уменьшением сигнала до 8-12 дБ.

Для борьбы с замираниями, на коротких волнах применяют метод приема на разнесенные антенны. Дело в том, что увеличение и уменьшение напряженности электрического поля происходят не одновременно даже на сравнительно небольшой площади земной поверхности. В практике коротковолновой связи используют обычно две антенны, разнесенные на расстояние нескольких длин волн, а сигналы складывают после детектирования. Эффективным является разнесение антенн по поляризации, т. е. одновременный прием на вертикальную и горизонтальную антенны с последующим сложением сигналов после детектирования.

Хочется отметить, что указанные меры борьбы действенны только для устранения быстрых замираний, медленные изменения сигнала не устраняются, так как это связано с изменением поглощения радиоволн в ионосфере.

В радиолюбительской практике метод разнесённых антенн используется довольно редко, ввиду конструктивной дороговизны и отсутствием необходимости приёма достаточно достоверной информации. Это связано с тем, что любители часто используют резонансные и диапазонные антенны, количество которых в его хозяйстве составляет около 2-3 штук. Использование разнесённого приёма требует увеличение парка антенн минимум вдвое.

Другое дело, когда любитель живёт в сельской местности, имея при этом достаточную площадь для размещения антифединговой конструкции, он может применить для этого просто два широкополосных вибратора, перекрывающие все, или почти все необходимые диапазоны. Один вибратор должен быть вертикальным, другой горизонтальным. Для этого совсем не обязательно иметь несколько мачт. Достаточно разместить их так, на одной мачте, чтобы они были сориентированы относительно друг друга под углом в 90°. Две антенны, в этом случае будут напоминать широко известную антенну «Inverted-V».

Расчет радиуса покрытия радиосигналом в УКВ/FM диапазонах

Частоты метрового диапазона распространяются в пределах прямой видимости. Радиус действия распространения радиоволны в пределах прямой видимости без учета мощности излучения передатчика и прочих природных явлений, уменьшающих эффективность связи, выглядит так:

r = 3,57 (√h1 + √h2), км,

Рассчитаем радиусы прямой видимости при установке приемной антенны на разных высотах, где h1 — параметр, h2 = 1,5 м. Сведем их в таблицу 1.

Таблица 1

Данная формула не учитывает затухание сигнала и мощности передатчика, она говорит лишь о возможности прямой видимости с учетом идеально круглой земли.

Произведем расчет необходимого уровня радиосигнала вместе приема для длины волны 3 м.

Поскольку на трассах между передающей станцией и подвижным объектом всегда присутствуют такие явления как, отражения, рассеяния, поглощения радиосигналов различными объектами и пр, следует вводить поправки в уровень затухания сигнала, что предложил японский ученый Okumura. Среднеквадратическое отклонение для этого диапазона с городскими застройками составит 3 дБ, а при вероятности связи в 99% введем множитель 2, что составит общую поправку П в уровне радиосигнала в
П = 3 × 2 = 6 дБ.

Чувствительность приемников определяется соотношением полезного сигнала над шумами в 12 дБ, т.е. в 4 раза. Такое соотношение при качественном радиовещании не приемлемо, поэтому введем дополнительную поправку еще в 12–20 дБ, примем 14 дБ.

Итого общая поправка в уровне принимаемого сигнала с учетом затухания его по трассе и специфике приемного устройства, составит: 6+16 20дБ (в 10 раз). Тогда при чувствительности приемника в 1,5 мкВ. в месте приема должно создаваться поле с напряженностью в 15 мкВ/м.

Рассчитаем по формуле Введенского радиус действия при заданной напряженности поля в 15 мкВ/м с учетом мощности передатчика, чувствительности приемника и городских застроек:

где r — км; Р — кВт; G — дБ (=1); h — м; λ — м; Е — мВ.

В данном расчете не учитывается коэффициент усиления приемной антенны, а также затухание в фидере и полосовом фильтре.

Ответ: При мощности в 10 Вт, высоте излучения h1=27 метров и h2=1,5м, реально качественный радиоприем с радиусом в городских застройках составит 2,5-2,6 км. Если учитывать, что прием радиосигналов вашего радиопередатчика будет осуществляться на средних и высоких этажах жилых зданий, то этот радиус действия увеличится примерно в 2-3 раза. Если принимать радиосигналы на вынесенную антенну, то радиус действия будет исчисляться десятками километров.

73! UA9LBG & Радио-Вектор-Тюмень