Дальний прием на УКВ

Дальний прием — это прием за пределами прямой видимости. Отдельные случаи, когда радиосвязь на УКВ осуществлялась на расстояниях, значительно превышающих расстояние прямой видимости, были известны еще в начале 30-годов. Благодаря последующему развитию радиотехники (появлению мощных передатчиков и высокочувствительных приемников), такие факты стали более часты

В результате многочисленных исследований во многих странах было установлено, что условия дальнего приема УКВ неодинаковы и обусловлены различными механизмами распространения. В области «полутени», т е. на расстояниях примерно 20 .30 км за границей прямой видимости, прием сигналов происходит за счет дифракции радиоволн вокруг Земли. При дальнем распространении сигналов на расстояниях примерно 150 — 1000 км, основную роль играет тропосфера. Сверхдальнее распространение, на расстояниях свыше 1000 км, вызвано переизлучением радиоволн более высокими ионизированными слоями атмосферы.

Характерный признак дальних сигналов — это наличие медленных и быстрых замираний. Уже на границе прямой видимости можно заметить, что напряжение сигнала плавно изменяется от часа к часу, ото дня ко дню, в зависимости от метеорологических условий — это медленные замирания. К медленным замираниям относят и сезонные колебания сигнала.

Под быстрыми замираниями обычно понимают колебания уровня сигнала, период которых меньше часа По мере удаления точки приема из зоны прямой видимости в зону тени, глубина медленных замираний возрастает и остается примерно постоянной (±20 дБ) Это приводит к тому, что прием за горизонтом становится неуверенным или, иначе, нерегулярным.

В зоне полутени с соответствующей приемной техникой иногда еще удается принимать сигнал с пониженным качеством. Что касается больших расстояний, то прием здесь бывает только случайным (в короткие периоды). Прохождение сигналов наступает вследствие случайного возникновения в атмосфере особо благоприятных условий. Когда они исчезают, напряжение сигнала падает в тысячи и более раз. Восстановить прежний уровень сигнала какими-либо техническими усовершенствованиями практически невозможно. Применение эффективных высокоподнятых антенн и высокочувствительного приемного устройства позволяет несколько продлить время приема, но не дает гарантии получить нормальный регулярный прием.

Прием вблизи границы прямой видимости

Характер зависимости напряженности поля от расстояния при переходе через границу прямой видимости заметно меняется. Как при гладкой, так и негладкой земной поверхности при переходе через границу зависимость напряженности поля от частоты меняет свой знак. До границы большая напряженность поля будет на более короткой волне, за границей — на более длинной волне. На расстоянии всего нескольких километров от границы напряженность поля резко уменьшается. В тени гладкой земной поверхности убывание напряженности поля происходит резче, чем за каким-либо отдельным холмом, ограничивающим прямую видимость.

Поляризация радиоволн также оказывает влияние на уровень сигнала, Если распространение происходит над ровной земной поверхностью или над морем, вертикальная поляризация обусловливает большую напряженность поля по сравнению с горизонтальной поляризацией. При распространении радиоволн над местностью, покрытой хвойными лесами, картина может быть обратной, поскольку деревья имеют способность сильнее рассеивать вертикально поляризованные волны.

Изменение уровня сигнала во времени (замирания) объясняется изменением рефракции радиоволн. При повышенной рефракции антенна может оказаться в пределах прямой видимости и напряженность поля возрастет. При отрицательной рефракции наблюдается обратная картина — точка приема фактически удаляется от границы прямой видимости и напряженность поля уменьшается. Возрастание напряженности поля сигнала наблюдается, как правило, при антициклоне, т. е. при высоком атмосферном давлении. Как зимой, так и летом антициклонам часто сопутствует ясная безоблачная погода без осадков и ветра. В районе антициклона происходит оседание (сжатие) воздушных масс, что приводит к их нагреванию и образованию температурной инверсии, когда температура с высотой не уменьшается, как обычно, а возрастает. При этом наибольшие уровни сигналов наблюдаются в течение всего периода хорошей погоды, но они часто неустойчивы. С наступлением пасмурных, особенно дождливых дней, напряженность поля сигнала уменьшается в несколько раз, но становится стабильной.

Высота подъема антенны играет большую роль при приеме в зоне полутени. Увеличение высоты подвеса антенны — сравнительно простой способ обеспечить прием. Можно считать, что напряженность поля возрастает во столько раз, во сколько раз увеличивается высота подвеса антенны. При очень большой высоте, при которой антенна находится в области прямой видимости, эта закономерность нарушается. Над гладкой земной поверхностью антенна может попасть в интерференционный минимум или максимум.

Маловероятно, что подъем антенны даст желаемый результат, если при высоте антенны 10 м сигнал полностью отсутствует. Антенну имеет смысл поднимать только тогда, когда уровень сигнала недостаточен.

Для установки антенн наиболее благоприятны возвышенные точки местности с открытым передним планом.

Тропосферное распространение сигналов

Основная причина дальнего распространения УКВ на расстояния 150…1000 км — переизлучение радиоволн на неоднородностях тропосферы. Идеализируя в действительности гораздо более сложную структуру, можно представить неоднородности тропосферы как «изолированные» объемы воздуха. В неоднородностях содержится более теплый или более влажный воздух, поэтому по диэлектрической проницаемости они отличаются от окружающего воздуха. Неоднородности образуются как следствие неравномерного нагревания земной поверхности. Восходящие и нисходящие потоки воздуха под действием ветра разбиваются на вихри (объемы) самых различных размеров. Средний размер неоднородностей составляет 30….50 м.

Под действием сил тяжести неоднородности часто принимают вид слоя. Так, инверсия температуры на некоторой высоте представляет собой слоистую неоднородность. Температурная инверсия образуется обычно после захода Солнца, когда земная поверхность и прилегающий к ней воздух охлаждается. Температура же лежащих выше слоев может оказаться на несколько градусов больше. Толщина слоистых неоднородностей достигает нескольких сот метров, а протяженность по горизонтали — нескольких километров. Яркий пример видимых неоднородностей — обычные облака. Но и невидимые неоднородности иногда можно увидеть, если они находятся на небольшой высоте и стоит безветренная погода. Например, вертикальный столб дыма от заводских труб, наталкиваясь на слоистую неоднородность, растекается под ней горизонтально.

Под действием излучения, создаваемого передающей антенной, каждая неоднородность превращается во вторичный излучатель, вызывая рассеяние или отражение радиоволн. В переизлучении участвуют только те неоднородности, которые попадают в объем, образуемый пересечением диаграмм направленности передающей и приемной антенн. Рассеяние радиоволн создают в основном мелкомасштабные неоднородности, зеркальное отражение — слоистые неоднородности. Часто оба эти механизма действуют одновременно. Независимо от того, какой из них продолжительней, в область тени переизлучается очень маленькая доля излученной энергии. Значительная доля энергии проходит через толщу атмосферы, теряясь в космическом пространстве.

Дальнее распространение УКВ над морем возникает иногда вследствие сверхрефракции. В некоторых случаях перепад диэлектрической проницаемости воздуха оказывается больше, чем при обычном состоянии. Волны при таком сильном перепаде преломляются к поверхности Земли, отражаются от нее, снова преломляются и т. д. Это называется сверхрефракцией или распространением в условиях образования «атмосферного волновода». Верхняя граница волновода расположена на высоте точек поворота волн, а нижней границей является морская поверхность. Волновод может быть и приподнятым. В этом случае волна распространяется как бы в «трубе». Волноводные условия распространения возникают главным образом над теплыми морями. Возможности появления волноводного распространения над сушей гораздо меньше, так как при этом сильно оказывается влияние рельефа местности, нарушающего однородность строения тропосферы, в горизонтальном направлении. Возникновение волноводного распространения, как и слоев, связано с хорошей, ясной и устойчивой погодой. При холодной, ветреной, дождливой и облачной погоде нижние слои воздуха хорошо перемешаны и условия распространения обычно являются нормальными. Волноводное распространение чаще всего наблюдается в диапазоне дециметровых волн. Это явление в технике практически не используется из-за малой вероятности его появления.

Замирания сигнала — основной признак дальнего тропосферного распространения. В точке приема всегда, с той или иной длительностью, наблюдаются замирания сигнала. Быстрые замирания сигнала (в пределах часа) обусловлены интерференционным взаимодействием волн, создаваемых отдельными неоднородностями, совершающими движение и изменяющимися по своим размерам. Медленные, в течение нескольких часов и суток,— связаны с образованием и разрушением слоев, с изменением условий рефракции. В ночные и вечерние часы уровень сигнала и длительность замираний больше, чем в дневные часы. В ночные и вечерние часы уровень сигнала возрастает из-за отражения от слоистых неоднородностей и повышения рефракции. Днем Солнце нагревает земную поверхность, и восходящие потоки воздуха разрушают слоистые образования. В пасмурные дни суточные колебания уровня сигнала стираются; абсолютное значение уровня сигнала падает, но стабильно держится на низком уровне. Уровень принимаемого сигнала при тропосферном распространении изменяется не только в течение суток, но и в течение года. Наибольшие сигналы зарегистрированы в летние месяцы. Летом средняя напряженность поля выше в 2—3 раза, чем зимой.

Условия для приема при дальнем тропосферном распространении возникают только в некоторые периоды, продолжительность которых меняется в широких пределах — от нескольких минут до нескольких дней. Такие периоды связаны с аномальным (необычным) распространением сигнала. В обычных условиях происходит рассеяние радиоволн на неоднородностях воздуха и поэтому наблюдаются слабые сигналы. Аномальное распространение возникает при отражении волн от слоев с резким перепадом коэффициента преломления и при атмосферных волноводах. При отражении радиоволн от слоя атмосферы дальность распространения зависит от его высоты. Чем выше находится слой, тем на большее расстояние отражаются от него радиоволны. Например, от слоя, расположенного на высоте 1 км, волны отражаются в точку, удаленную от места передачи на 300 км. Мощные слои в тропосфере редко появляются на высотах выше 3…4 км, поэтому распространение сигналов практически не наблюдается на расстояниях свыше 400…600 км.

Влияние высоты передающей антенны на уровень сигнала на больших расстояниях невелико. То же самое можно сказать о приемной антенне при приеме над сушей. При приеме сигнала, распространяемого над морем, напряженность поля сильно зависит от высоты приемной антенны. Для дальнего тропосферного приема важно наличие открытого переднего плана перед антенной. Больший сигнал получается на возвышенности, с которой далеко виден горизонт.

Ионосферное распространение сигналов

Ионосфера — это часть атмосферы, состоящая из нескольких слоев ионизированного разряженного воздуха, расположенных на высоте от 60 км и выше над поверхностью Земли. Слои по мере их возвышения над Землей обозначаются буквами D, Е, F₁, F₂. Ионизация, т. е. расщепление молекул газов на положительные ионы и свободные электроны, возникает главным образом под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Степень ионизации определяется числом свободных электронов в 1 см³. Ионизация возрастает с высотой и зависит от времени суток. Днем степень ионизации выше, ночью слабее. Ионизация всех слоев в атмосфере увеличивается в периоды повышенной солнечной активности. В наибольшей мере это проявляется на внешнем наиболее ионизированном слое F₂. Кроме изменения степени ионизации меняются и высоты слоев в разное время суток и года.

Отражение радиоволн от ионосферы. Атмосфера при наличии в ней свободных электронов приобретает свойства полупроводника, от которого могут отражаться радиоволны длиннее 10 м. Для волн короче 10 м.ионосфера значительную часть времени прозрачна. Такие волны проходят через нее, теряясь в глубинах межпланетного пространства. Вместе с тем еще во второй половине 30-х годов были зарегистрированы случаи отражения от ионосферы волны длиной около 6 м. Как оказалось, отражение было вызвано двумя причинами: при появлении спорадического (т. е. возникающего время от времени) слоя Es и при повышении электронной концентрации слоя F₂ в годы максимума солнечной активности.

Слой Es представляет собой электронное облако, которое образуется на высоте слоя Е (100…120 км). Вследствие значительной ионизации от него порой отражаются сигналы на частотах 50…80 МГц. Граница зоны приема волн, переизлученных слоем Es, начинается на расстоянии примерно 1000 км от передатчика и оканчивается на 2500 км. Чаще всего прием наблюдается днем в летние месяцы. В вечерние часы он бывает реже и менее регулярно. Прием от слоя E_s вследствие отражения происходит преимущественно с южных направлений, где он более продолжительный. В летние месяцы электронная плотность слоя Es может быть настолько высокой, что сигналы дальних станций могут полностью вытеснить сигналы местных. Продолжительность наблюдения благодаря отражению от слоя Es бывает различной, от нескольких минут до нескольких часов.

Слой F₂ расположен на высоте свыше 200 км над поверхностью Земли, т. е. выше, чем слой Es. По этой причине прием отраженных от него волн отмечается на более длинных расстояниях: 2000…4000 км. Прохождение волн, обусловленное слоем F₂, обычно отмечается днем в зимние месяцы, в годы максимума солнечной активности. Максимумы солнечной активности отмечаются приблизительно через 11 лет и совпадают о появлением большего числа пятен на Солнце.

Отражение от области полярных сияний. Оно наблюдается в диапазоне метровых радиоволн. Распространение радиоволн, отраженных от области полярных сияний, называют авроральным. Полагают, что отражение (рассеяние) происходит на неоднородностях электронной плотности полярного сияния. Электронная плотность в этих неоднородностях хотя и незначительно, но отличается от электронной плотности окружающей среды. По форме неоднородности представляют собой цилиндры, вытянутые в направлении магнитного поля Земли. Отражение происходит как бы от решетки, состоящей из полос ионизированного газа.

Полярные сияния чаще происходят в высоких широтах. Установлено, что зона максимума сияний находится на широте, удаленной на 23° от магнитного полюса. Вспышки на Солнце и другие проявления солнечной активности образуют корпускулярные потоки (солнечный ветер). Эти потоки, приближаясь к Земле, могут проникнуть в верхние слои атмосферы только через полярные области. Силовые линии магнитного поля Земли являются своего рода экраном для корпускулярных потоков, но у полюсов линии сходятся, что позволяет потокам пройти к Земле.

Полярные сияния возникают, когда солнечные протоны и электроны сталкиваются с атомами и молекулами верхних слоев земной атмосферы. Если в северном полушарии в районе, где наблюдаются полярные сияния, передающую и приемную антенны направлять на север, то при появлении полярных сияний возможна радиосвязь. Полярное сияние позволяет радиолюбителям-ультракоротковолновикам проводить сеансы связи на значительные расстояния. Для приема сигналов между передающей станцией и полярным сиянием и от полярного сияния до пункта приема должна быть прямая видимость.

Отражение радиоволн от метеорных следов. Помимо отражения от ионизированных слоев волны короче 10 м иногда отражаются от метеорных следов. В атмосферу Земли влетает огромное количество космической пыли-метеоров, которые при сгорании в атмосфере оставляют за собой след из ионизированных частиц. Если ионизация такого следа достаточна для отражения и он ориентирован в пространстве так, что волны попадают в место приема, то наблюдается вспышка сигнала продолжительностью в несколько секунд. Наиболее часто это явление бывает летом, когда Земля проходит через область интенсивных метеорных потокрв. Вероятно, потоки метеорных следов могут явиться причиной появления мешающих сигналов на частотах 30 …80 МГц.

Литература:

1. Шур А. А. Ближний и дальний прием телевидения. — М.: Радио и связь, 1991. — 88 с: ил. — (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1171)