Радиоволн

Радиоволны средних частот (они же гектометровые, или средние волны) занимают диапазон частот от 3·10⁵ до 3·10⁶ Гц, что соответствует длине волны от 1000 до 100 м.

Средние волны (СВ) могут распространяться как земные (поверхностные) волны и как пространственные (ионосферные). В отличие от диапазона СДВ и ДВ на этих волнах поверхность Земли проявляет себя как полупроводящая среда, благодаря чему из-за большого поглощения дальность распространения поверхностной волны не превышает расстояния 500...700 км.

Как следует из условия отражения от ионосферы (4.53) вертикально падающей волны, для отражения средних волн требуется электронная концентрация не менее 10³ эл/см³. Отсюда следует, что основным отражающим слоем для средних волн является слой Е, в то время как слой D является поглощающим слоем.

Для излучения поверхностных волн в средневолновом диапазоне применяют антенны вертикальной поляризации в виде вертикальных вибраторов. Длина их, как правило, значительно меньше длины волны. Поэтому диаграмма направленности антенны, как и в диапазоне ДВ и СДВ, приближается по форме к диаграмме направленности элементарного электрического излучателя (диполя Герца). В направлении, близком к оси, такие антенны практически не излучают, поэтому поле ионосферной волны на средних волнах имеет существенное значение только на расстояниях, превышающих несколько сотен километров. Вблизи передатчика поле пространственной волны практически отсутствует.

В зоне действия поверхностной волны (в ближней зоне) напряженность поля отличается высокой стабильностью и не зависит от времени суток, времени года и состояния ионосферы. Поэтому в пределах ближней зоны средневолновые радиовещательные станции обеспечивают гарантированное качество вещания.

В средней зоне, где уровни напряженности поля поверхности и про-странственной волн соизмеримы, ситуация становится иной. В дневное время, когда существует слой D, потери энергии волны в нем настолько велики, что пространственная волна практически отсутствует и связь обеспечивается за счет поверхностной волны. Как и в ближней зоне, напряженность поля поверхностной волны отличается высокой стабильностью. В ночное время, когда поглощающий слой D отсутствует, возникает пространственная волна. В этих условиях поле в пункте приема представляет собой результат интерференции поверхностной и пространственной волны. Высота области отражения пространственной волны из-за флуктуаций электронной концентрации отражающего слоя непрерывно и беспорядочно изменяется, что приводит к изменениям длины траектории пространственной волны. В результате фаза волны, равная , также испытывает беспорядочные изменения. Это приводит к флуктуациям амплитуды результирующей волны, которые называются замираниями (федингом) (рис. 6.1).

Таким образом, чем короче длина волны, тем значительнее изменения фазы и, значит, тем более глубокий характер имеют замирания.

Под действием замираний напря-женность поля волны может изменять-ся в десятки раз, а средняя продол-
жительность замираний – колебаться
в пределах от секунды до нескольких десятков секунд.

На больших расстояниях от пере-датчика, где поверхностная волна прак-тически отсутствует, прием возможен только в ночное время за счет про-
странственных волн. Испытывая различное количество отражений от ионосферы, пространственные волны интерферируют в пункте приема, вызывая эффект замираний (рис. 6.2). В дневное время прием в дальней зоне невозможен из-за сильного поглощения пространственных волн в слое D.

Рис. 6.2. Замирания в дальней зоне	Рис. 6.3. Диаграммы направленности элементарного электрического вибратора (штриховая линия) и антифединговой антенны (сплошная линия)

Замирания радиосигнала имеют вредный характер, так как во время замирания отношение мощности полезного сигнала к мощности помех может иметь значения, не обеспечивающие требуемого качества приема. Для увеличения зоны уверенного приема применяют специальные передающие антенны, называемые антифединговыми, которые имеют диаграмму направленности в вертикальной плоскости, сильно прижатую к Земле (рис. 6.3). Благодаря этому на расстояниях до нескольких сотен километров поле поверхностной волны увеличивается, а поле пространственной волны уменьшается, результатом чего является уменьшение глубины замираний.

Перекрестная модуляция в ионосфере. На средних волнах во время работы сверхмощной передающей станции (мощность порядка
1 МВт) ионосфера ведет себя как нелинейная среда. Эффект нелинейности проявляется в том, что диэлектрическая проницаемость ε_ии проводимость σ_и становятся зависимыми от напряженности поля волны. Это явление аналогично происходящему в электрической цепи, которая содержит активный элемент (электронную лампу или транзистор). В отличие от цепи, содержащей только пассивные элементы (резисторы), в цепи с активным элементом изменение приложенного напряжения приводит к изменению не только тока в цепи, но и параметров активного элемента (его внутреннего сопротивления).

Как было установлено выше (4.39), диэлектрическая проницаемость и проводимость ионосферы зависят в общем случае от частоты соударений электронов с тяжелыми частицами. В свою очередь, частота соударений зависит от скорости движения свободных электронов, которая имеет две составляющие – скорость теплового движения v _т и скорость направленного движения v _эл под действием поля волны. На коротких волнах при обычно применяемых мощностях передатчика v _эл оказывается много меньше, чем v _т. Поэтому суммарная скорость движения электрона практически не зависит от напряженности поля волны, и, следовательно, диэлектрическая проницаемость и проводимость ионосферы не зависят от воздействия волны.

На средних и более длинных волнах скорость v _эл соизмерима с v _т. При больших значениях напряженности поля частота соударений становится зависимой от величины воздействия волны на ионосферу.

Скорость направленного движения электронов под действием волны определяется по формуле (4.25). Обратимся к ней еще раз:

. (6.1)

Перейдя к действующим значениям, формулу (6.1) можно переписать в виде

. (6.2)

Полная скорость движения электрона складывается из скорости теплового движения:

, (6.3)

а скорости направленного движения (6.2):

, (6.4)

где .

Если передаваемый сигнал модулирован по амплитуде, то действующее значение напряженности поля можно записать как

, (6.5)

где М – коэффициент модуляции; Ω – модулирующая частота; – напряженность поля, создаваемого немодулированной несущей.

Частоту соударений электронов с тяжелыми частицами можно определить по формуле

, (6.6)

где l _св – средняя длина пути электрона между соседними соударениями.

Подставляя в (6.6) выражения (6.4) и (6.5), получим:

. (6.7)

Из (6.7) следует, что частота соударений зависит от амплитуды напряженности поля волны и при воздействии на ионосферу модулированных колебаний меняется во времени с частотой модуляции.
С такой же частотой изменяется проводимость ионизированного газа:

, (6.8)

а следовательно, и коэффициент поглощения ионосферы:

. (6.9)

Таким образом, происходит ослабление напряженности поля волны, излучаемой сверхмощной радиостанцией, пропорциональное ее напряженности поля. Иными словами, происходит демодуляция сигнала.

Подобное явление происходит и с сигналами менее мощных станций, волны которых распространяются в области, где распространяются волны мощной станции. При этом сигнал маломощной станции ослабляется пропорционально изменению напряженности поля мощной станции и таким образом оказывается модулированным модулирующим напряжением сигнала мощной станции. Это явление называется перекрестной модуляцией. Проявляется она как прослушивание сигнала мощной станции на частоте маломощной, т.е. как вторичная паразитная модуляция, которую нельзя устранить более тонкой настройкой радиоприемника. Явление перекрестной модуляции в ионосфере часто называют Горьковско-Люксембургским эффектом, так как впервые пе-рекрестная модуляция была обнаружена при работе первых сверхмощных радиостанций на средних волнах в городах Горьком (ныне Нижнем Новгороде) и Люксембурге в 20-е годы ХХ века. Мерой борьбы с перекрестной модуляцией стало применение передающей антенны мощной станции с сильно прижатой к Земле диаграммой направленности.

На длинных и сверхдлинных волнах перекрестная модуляция практически не наблюдается, так как эти волны не проникают в глубь ионосферы.