Почему при работе на коротких волнах возникают зоны молчания кратко

Обновлено: 07.07.2024

ЗОНЫ МОЛЧАНИЯ, мертвые зоны , зоны, в которых не обнаруживается приема от радиостанций, хорошо принимаемых в то же самое время на расстояниях, более удаленных от места расположения передатчика. 3оны молчания обычно определяются расстоянием в километрах вдоль одного радиального направления от передатчика, на протяжении которого нет приема; поэтому вместо зоны молчания иногда употребляется термин расстояние провала слышимости .

3оны молчания наблюдаются гл. обр. на коротких волнах, примерно ниже 70 м. Существование зон молчания на этих волнах объясняется тем, что пространственные волны излучения передатчика, определяющие главным образом эффект приема на коротких волнах, распространяясь внутри слоя Хивисайда, возвращаются к земле на расстояниях, значительно превосходящих те расстояния, на которые обычно распространяются вдоль земной поверхности сильно поглощаемые в почве поверхностные волны.

На фиг. 1 показана типичная кривая зависимости силы сигнала А от расстояния d на волнах ниже 70 м.

3оны молчания определяются суммой расстояний d₁ + d₂ (фиг. 2),

где d₁ - длина спроектированного на земную поверхность пути волны от передатчика до вступления в слой Хивисайда, а также после выхода ее из слоя Хивисайда до приемника и d₂ - длина проекции на землю пути волны внутри слоя Хивисайда; d₁ определяют из уравнения d₁ = 222γ (в км); d₂ может быть определено следующими методами. Внутри слоя Хивисайда волна претерпевает преломление, причем угол ϑ₂ между направлением распространения волны и вертикалью Н по отношению к земле внутри слоя определяется из уравнения sin ϑ₂ = sin ϑ/μ.

Здесь μ - показатель преломления, определяемый из уравнения

где N - число ионов на 1 см 3 , е - их заряд и m - масса. Т. к. с высотой N увеличивается, то вызываемое им уменьшение μ приводит к увеличению угла ϑ₂. При ϑ₂ > 90° волна получает направление снова к земле; при sin ϑ₂ = 1

где R - радиус земного шара, h - высота слоя Хивисайда и γ - геоцентрический угол (фиг. 2). Угол ϑ₁, удовлетворяющий этому уравнению (обозначим его через ϑ₀), является тем наименьшим углом, при котором волна еще может вернуться к земле и тем самым м. б. использована для приема. Величина ϑ₀, зависит от длины волны. В табл. 1 дана величина угла ϑ₀ и соответствующая ему величина зенитного угла распространения волны относительно земной поверхности в месте передачи, в зависимости от λ при высоте слоя Хивисайда над землей 95 км (дневные условия).

Угол ϑ₀ и определяет размеры зоны молчания. Расстояние d₂ м. б. определено из следующего общего уравнения:

Здесь h - высота проникновения волны в слой Хивисайда; высота слоя Хивисайда (его нижней границы) относительно земли принимается за начало координат.

В табл. 2 приведены величины d₁ и d₂, а также d₁ + d₂ при высоте слоя над землей в 95 км для различных λ.

На фиг. 3 показана кривая зависимости зоны молчания от длины волны, полученная Тейлором в Америке экспериментальным путем в результате многих наблюдений.

Т. к. расстояние d₁ зависит от высоты слоя Хивисайда относительно земли, то ночью расстояние или радиус зоны молчания должны увеличиться. Теория и практика показывают, что ночью зоны молчания увеличиваются примерно от 3 до 4 раз по сравнению с зонами молчания днем. Кроме того, увеличивается и диапазон волн, обнаруживающих зоны молчания. В то время как днем наибольшей волной, обнаруживающей зоны молчания, является волна порядка 50 м, ночью зоны молчания наблюдаются на волнах порядка 70 м. По тем же причинам зимой зоны молчания значительно больше, чем летом. 3оны молчания обусловливают применимость волн ниже 70 м для связи лишь на большие расстояния и в значительной степени определяют проходимость этих волн на данной линии связи в различные часы суток.

Во многих случаях на практике полного прекращения приема в зонах молчания не наблюдается, а отмечается лишь несколько ослабленный прием по сравнению с приемом вне зон молчания. Исследование этих явлений показало, что отсутствие зон молчания в большинстве случаев обязано приему отраженных волн ближнего эхо. Кроме того, опыт показывает, что зоны молчания заметно уменьшаются при применении высоко поднятых над землей передающих антенн.

3оны молчания на средних волнах, а иногда и на длинных, наблюдаются в районах с очень сильным поглощением в почве, например, в районах, богатых залежами руд, а также в горной или сильно пересеченной местности.

2017-11-12
Электромагнитные волны непрерывны. Почему же при связи на коротких волнах получаются зоны молчания?

Короткие волны распространяются прямолинейно. Они хорошо принимаются на площади сегмента CBD (рис.). Поэтому, казалось бы, за линией CD они не должны бы приниматься вовсе. Однако это не так. Землю окружает слой ионосферы, отражающей короткие радиоволны, если они падают под углом, большим предельного угла полного отражения. На рисунке изображен пучок лучей, посылаемых передатчиком на ионосферу. Лучи 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 имеют углы падения большие, чем предельный, поэтому они испытывают полное отражение и снова попадают на Землю. Но при этом образуется зона, где нет отраженных радиоволн, так называемая зона молчания.

Затухание поверхностной земной волны в этом диапазоне вследствие поглощения энергии подстилающей поверхностью настолько велико, что радиосвязь на поверхностных волнах возможна лишь в пределах десятков километров (глава 5).

При распространении в качестве пространственных волн, т.е. путем однократного или многократного отражения от ионосферы, короткие волны могут быть использованы для работы на сколь угодно большие расстояния. Малое по сравнению с другими диапазонами поглощение коротких волн в ионосфере определяет их основное достоинство – возможность осуществлять радиосвязь отраженным лучом на дальние расстояния при малой мощности передатчика.

При нормальных условиях распространения пространственных коротких волн каждая из областей ионосферы выполняет вполне определенную функцию: области Dи Е являются в этих условиях поглощающими, а слой F₂ - отражающим.

Схема распространения радиоволн для этого случая показана на рисунке 7.4.

Рисунок 7.4 – Траектория радиоволн при распространении коротких волн

Зависимость распространения радиоволн от состояния ионосферы является характерной особенностью этого диапазона.

Для поддержания уверенной радиосвязи на коротких волнах на большие расстояния необходимы правильный выбор длин волн и смена волн при переходе от дневных условий к ночным.

Днем, при большей степени ионизации, для получения большой дальности радиосвязи надо применять более короткие волны. В ночное время исчезает слой D, т. е. степень ионизации уменьшается и дневные волны уходят в мировое пространство. Поэтому в ночное время необходимо использовать более длинные волны. Исследования показали, что применяемые для связи на большие расстояния короткие волны можно разделить на три поддиапазона:

Так как физические свойства ионосферы изменяются не только в течение суток, но и со сменой времени года (сезонные изменения), то зимой (из-за уменьшения ионизации слоев ионосферы) используются несколько более длинные волны, чем в летние месяцы.

Для обеспечения надежной работы коротковолновых радиолиний составляют так называемое волновое расписание, устанавливающее порядок смены рабочих частот в течение суток. Различные географические районы для различных времен года также имеют различные волновые расписания.

Для коротковолновых линий связи характерна еще одна особенность – наличие так называемых зон молчания, в которых прием передаваемой информации невозможен. Образование таких зон обусловлено тем, что поверхностные волны, не дойдя до места приема, затухают из-за сильного поглощения их энергии подстилающей поверхностью на расстоянии нескольких десятков километров от передающей станции. В то же время пространственные волны, отражаясь от ионосферы, приходят на Землю не ближе некоторого расстояния от передающей станции. Это расстояние зависит от рабочей длины волны, угла падения волн на ионизированный слой, его высоты, времени суток, года и др.

Образование такой зоны поясняет рисунок 7.5. Поверхностная волна будет распространяться от передающей станции (точка А на поверхности Земли) на расстояние нескольких десятков километров (до точки а). Пространственная волна 1, падающая на ионосферу под углом α₁, лишь немногим больше критического угла α_КР, возвратится в точку б земной поверхности. Эта точка будет ближайшей от передающей радиостанции, в которую попадет пространственная волна. Зона между точками ɑ и б называется зоной молчания и может быть представлена в виде кольцевой области.

В случае ненаправленных антенн ближняя граница зоны молчания, т. е. точка а будет находиться на расстоянии для суши примерно 40 км., а для морской подстилающей поверхности она отодвинется до 400 км.

Расстояние от радиосредства до точки б,т.е. до дальней границы зоны молчания, для различных волн коротковолнового диапазона колеблется в пределах от нескольких сот до 1000 – 2000 км. Чтобы пространственные волны попадали в зону между точками ɑи б, необходимо уменьшить угол падения волн на ионосферу.
Но в этом случае они не возвратятся на Землю (луч 3, рис. 7.5)

При связи на более коротких (дневных) волнах образуются более широкие зоны молчания (порядка тысячи километров). На волнах 40–100м ширина зоны молчания уменьшается до нескольких сот километров. Следовательно, с ростом рабочей частоты зона молчания расширяется.

Рисунок 7.5 – К пояснению образования зоны молчания

Пространственная волна 2, падающая на ионосферу под углом α₂, возвратится в точку в, удаленную от передатчика на расстояние 3500–4000 км. Следовательно, работа с однократным отражением радиоволны от ионосферы возможна на линиях связи до 4000 км.

При многократном отражении от ионосферы и Земли дальность связи на коротких волнах может достигать 10–15 тыс. км. По этой причине на волнах короче 50 м на расстоянии около 100 км от передающей станции ее сигналы совершенно нельзя принять; в то же время на расстоянии в несколько тысяч километров обеспечивается исключительно хороший прием сигналов.

Для поддержания работы радиосредств в зоне молчания можно использовать антенны зенитного излучения, т.е. технологию NVIS – NearVerticalIncidenceSkywavepropagation. Её суть сводится к работе радиосредства пространственной волной, которую излучают практически вертикально. Отразившись от ионосферы под малым углом, радиоволны распространяясь назад к подстилающей поверхности создают достаточное по напряженности электромагнитное поле в зоне молчания.

Как и в диапазоне средних волн, на коротких волнах имеют место явление замирания радиосигналов. Основная причина их возникновения – приход в точку приема двух волн после одного или двух отражений от ионосферы, а также из-за сложения в этой точке нескольких волн с различной разностью фаз, образовавшейся в результате рассеяния их на неоднородностях ионосферы. Период замираний на коротких волнах изменяется в пределах от долей секунды до нескольких десятков секунд.

Часто на коротковолновых линиях связи протяженностью 10–15 тыс. км наблюдается явление, получившее название радиоэха; один и тотже сигнал в пункте приема воспроизводится дважды с некоторым интервалом времени. Это обусловлено тем, что в пункт приема радиоволны, несущие сигнал, приходят двумя путями: одним – кратчайшим – между передающим и приемным пунктами (прямое эхо), а другим – более длинным – противоположным основной волне (обратное эхо). В результате один и тот же сигнал принимается в месте приема дважды.

Возможно возникновение и так называемого кругосветного (прямого) эха при однократном или многократном огибании волной земного шара.

Большой вклад в теорию и практику распространения коротких волн внесли советские ученые М.В. Шулейкин, М.А. Бонч-Бруевич, В.В. Татаринов, А.Н. Щукин, Н.И. Кабанов.

Волны декаметрового диапазона весьма широко используются для дальней телефонной, телеграфной радиосвязи, а также для загоризонтной радиолокации.

Заканчивая краткое качественное пояснение особенностей распространения коротких волн, заметим, что их распространение зависит от географической широты расположения радиосредства. Так, средства для радиосвязи, радионавигации и пеленгации, работающие на коротких волнах, созданные для использования в средних широтах, функционируют в высоких широтах менее эффективно. Это связано как с изменением траекторий распространения радиоволн, так и с изменением характеристик принятого радиосигнала. Эти изменения появляются из-за особенностей полярной ионосферы – ее неоднородности, нестационарности и наличия в ней больших градиентов электронной концентрации в горизонтальных направлениях.

Схема распространения радиоволн для этого случая показана на рисунке 7.4.

Рисунок 7.4 – Траектория радиоволн при распространении коротких волн

Рисунок 7.5 – К пояснению образования зоны молчания

Для заданной длины волны передатчика точка В характеризует такое удаление, на котором напряженность поля земной волны снижается до минимального значения, допускающего еще уверенный прием. Стало быть, на больших удалениях прием земных волн невозможен. Лучи, излучаемые антенной передатчика под крутыми углами к горизонту, не встречают условий, необходимых для отражения от ионосферы, и, несколько искривившись, пронизывают ионосферу насквозь. Наиболее крутой луч (соответствующий критической частоте), который получит возможность отражаться от ионосферы (угол возвышения этого луча обозначен на рис. через а ) попадает в точку С. Более пологие лучи, отразившись от ионосферы, попадут в еще более отдаленные точки. Таким образом, в область ВС уже не попадают земные волны и еще не попадают ионосферные. Полагая, что антенна передатчика является ненаправленной, образующуюся вокруг передатчика зону молчания можно нанести на карту. Это показано на следующем рисунке, где изображены области, обслуживаемые поверхностными (земными) и пространственными (ионосферными) волнами, и расположенная между ними кольцевая зона молчания.

Размеры зоны молчания определяются ее внутренним (r,) и внешним (r2) радиусами. Внутренний радиус зоны молчания определяется условиями распространения земных радиоволн и, конечно, не зависит от времени суток. Абсолютная величина внутреннего радиуса может быть определена с помощью формул для расчета напряженности поля земных радиоволн. Поскольку с увеличением частоты (при неизменной мощности передатчика) поглощение земных волн возрастает, внутренний радиус зоны молчания уменьшается по мере роста частоты. Внешний радиус зоны молчания зависит как от времени суток, так и от частоты. Зависимость внешнего радиуса от времени суток может быть установлена на основании следующих рассуждений. Допустим, что в часы освещенности этот радиус достигает значения r2 за счет луча, составляющего угол а с плоскостью горизонта. С наступлением темноты, когда электронная концентрация в отражающем слое уменьшается, а следовательно, одновременно уменьшается и критическая частота, луч, распространяющийся под углом а, не будет отражаться от ионосферы, а пронижет ее насквозь. При пониженной электронной концентрации способность отражаться от ионосферы получат более пологие лучи, попадающие в более удаленные точки. Изложенное дает основание считать, что с наступлением темноты абсолютное значение внешнего радиуса зоны молчания возрастает.

Если на некоторой частоте внешний радиус зоны молчания имеет значения r2 и обусловлен лучом, составляющим угол а с плоскостью горизонта, то при переходе (при той же ионизации ионосферы) к более высокой частоте придется считаться с тем фактом, что радиоволна более высокой частоты, излучаемая под тем же углом к горизонту, не будет отражаться от ионосферы, а пронижет ее насквозь. В этих условиях от ионосферы будут отражаться лучи, излучаемые под более пологими углами к горизонту и попадающие в силу этого в более далекие точки, т.е. с увеличением частоты внешний радиус зоны молчания также возрастает.

Читайте также: