ЛЕКЦИЯ 7. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕРХДЛИННЫХ

И ДЛИННЫХ РАДИОВОЛН

Диапазон ДВ - участок радиодиапазона 10 км...1км (30...300 кГц), а СДВ - 100км...10км (3...30 кГц). Тропосфера не влияет. Диапазон электромагнитных волн, создаваемых с помощью различных радиоустройств, ограничен длинами волн около 20...30 км (15...10 кГц). Мощные поля более длинных волн возбуждаются только естественным природным источником — молниевыми разрядами, которые излучают непрерывный спектр волн, особенно интенсивных на частотах от 30...50 кГц до нескольких сотен герц и меньше.

Область применения диапазонов СДВ и ДВ определяется особенностями их распространения. Относительно малое затухание поля в тракте распространения и устойчивость по отношению к ионосферным возмущениям позволяет использовать эти диапазоны для связи на дальние расстояния, простирающиеся до антипода. Однако малая частотная емкость этих диапазонов позволяет применять только телеграфные системы с малыми скоростями телеграфирования (например, работа ключом). Большое применение эти частоты находят в системах дальней радионавигации и передачи сигналов точного времени, что объясняется большой стабильностью амплитудных и фазовых характеристик поля. Радиоволны СДВ и ДВ диапазонов распространяются как ионосферными, так и земными волнами. Наилучшее объяснение наблюдаемых закономерностей изменения поля в пространстве и во времени дает теория волноводного распространения ионосферных волн. Современные теории принимают, что ионосферные сверхдлинные и длинные волны распространяются в сферическом волноводе, нижней стенкой которого является поверхность Земли, а верхней - днем слой D, а ночью - слой Е. Сложность физических процессов при распространении радиоволн в таком волноводе, обусловлена следующими основными причинами: сферичностью Земли и ионосферы, размытостью и конечной проводимостью нижней границы ионосферы, ее анизотропными свойствами за счет влияния магнитного поля Земли, конечной проводимостью и сложным рельефом земной поверхности. Нахождение поля в сферическом волноводе Земля - нижняя граница ионосферы сводится к решению уравнений Максвелла с учетом граничных условий.

Волноводная теория показывает, что, как и в идеальном волноводе, поле в точке приема представляет результат интерференции множества волн, претерпевших n-кратные отражения от стенок волновода. Каждая n-составляющая,   называемая    парциальной    волной,   распространяется по наклонной, по отношению к оси волновода, траектории с фазовой скоростью, равной скорости света в данной среде. Каждой парциальной волне соответствует свой угол падения φ_n на стенки волновода. От этого угла зависят коэффициент отражения от стенок, а следовательно, и закон затухания волны. Известно, что в волноводе с идеальными стенками парциальные волны формируют дискретный набор поперечных магнитных волн ТН и поперечных электрических волн ТЕ, распространяющихся вдоль оси волновода с фазовой скоростью, которая всегда превышает скорость света в среде. В сферическом волноводе Земля — нижняя граница ионосферы поле представляет также результат суперпозиции множества дискретных волн, но квазипоперечного типа — квазипоперечных магнитных ТН волн и квазипоперечных электрических ТЕ волн. Эти волны называются квазипоперечными, поскольку содержат слабые продольные составляющие: волна квази-ТН - магнитную составляющую Н, волна квази-ТЕ - электрическую составляющую Е. Появление этих составляющих обусловлено преобразованием в анизотропной ионосфере линейно-поляризованного поля в поле с эллиптической поляризацией.

Квазипоперечные волны различают по номерам m и называют модами или «нормальными волнами». Существует набор мод квази - ТН_m, где m=0, 1, 2,... и квази - ТЕ_m, где m = 1, 2, 3,... Номер m определяет характер распределения поля по высоте волновода. Каждый мод формируется двумя или более парциальными волнами, различающихся углами падения. Поскольку от угла падения зависит коэффициент отражения от стенок волновода, то каждому моду соответствует свой коэффициент затухания.

Расчеты показывают, что с увеличением номера мода коэффициент затухания увеличивается. Сильно ослабленными оказываются моды, формирующиеся парциальными волнами с углами падения, близкими к углам Брюстера, для которых характерно почти полное прохождение энергии падающей волны через отражающую область. Быстрое затухание мод с высокими номерами приводит к тому, что с увеличением расстояния все меньшее число мод оказывается существенным при формировании поля.

На больших расстояниях число мод, формирующих поле, зависит также от часов суток. Ночью в формировании поля участвует большее число мод чем днем, поскольку в темное время суток слой D пропадает и затухание всех мод уменьшается.

Различают по расстоянию три области формирования поля — ближнюю, промежуточную и дальнюю.

В ближней области (r < 1000 км) справедлива лучевая трактовка распространения, когда поле представляется в виде суммы полей земной волны и волн, n-кратно отраженных от ионосферы. Сравнение расчетов и эксперимента показывает, что погрешность расчета порядка 5% может быть получена при учете набора волн до пятикратно отраженных от ионосферы.

В промежуточной области (r = 1000...2000 км) справедлива только волноводная схема распространения и поле формируется как основными модами квази -ТН₁ и квази -ТН₂, так и модами с более высокими номерами.

В дальней области (r > 2000 км) также справедлива волноводная схема, но поле формируется только основными модами, При расчете с погрешностью до 10% дневное поле в этой области определяется волной квази - ТН₁, а ночью - тремя волнами: квази - ТН₁, квази - ТН₂ и квази - ТЕ₁. Изменение структуры поля в течение суток приводит к разным суточным закономерностям изменения поля на разных расстояниях в дальней области. Днем, когда доминирует одна волна, поле плавно уменьшается по мере увеличения расстояния; ночью эта зависимость носит немонотонный характер за счет интерференции трех основных мод. Необходимо отметить еще одну особенность распределения поля с расстоянием, наблюдаемую только в диапазоне СДВ, которая сводится к так называемому эффекту "антипода ". Измерения показывают, что на расстоянии около 20000 км от излучателя (точка "антипода") напряженность поля возрастает (рис.7.2). В антиподе амплитуда поля превышает ее значения на экваторе в 6...7 раз. Теория волноводного распространения подтверждает существование такого эффекта в сферическом волноводе. Чисто качественно его можно объяснить как результат «стекания» в эту область волн, приходящих с разных направлений, т.е. лучи, огибающие Землю, у антипода сходятся как в фокусе оптической системы.

МКВ

Изменения напряженности поля в течение суток. Регулярные изменения во времени напряженности поля длинных и сверхдлинных волн связаны с регулярными изменениями состояния ионосферы - высоты ее основания и степени ионизации отражающей области. Сложная интерференционная структура ночного поля, зависящая от расстояния, делает суточный ход неоднозначным. Нормальным суточным ходом считается повышение поля от дня к ночи, что

объясняется уменьшением поглощения ионосферных волн при пропадании слоя D в темное время суток. Несмотря на то, что ночью возрастает обычно не только поле полезного сигнала, но и поле помех, отношение сигнал/помеха оказывается в большинстве случаев более выгодным ночью, чем днем. На некоторых линиях во время восхода и захода Солнца появляются глубокие минимумы поля. Это явление называется сумеречным эффектом.

Сезонные изменения напряженности поля в промежуточной и дальней зонах выражены слабо и не всегда однозначно. Обычно в летние месяцы значения Е ниже, чем зимой.

Влияние цикла солнечной активности. Многочисленные наблюдения показали, что с увеличением активности Солнца напряженность поля волн СДВ и ДВ диапазонов возрастает, что объясняется ростом градиента электронной плотности у основания ионосферы при повышенной солнечной активности.

Нерегулярные изменения напряженности поля обусловлены неоднородной структурой ионосферы, меняющейся во времени. Случайные колебания поля в диапазонах СДВ и ДВ незначительны по глубине и происходят настолько медленно, что не прослушиваются при слуховом приеме. Их можно обнаружить только при записи напряженности поля на самописец. Колебания имеют интерференционное происхождение и обусловлены изменением сдвига фаз между интерферирующими составляющими. Значительные изменения фазовых сдвигов на волнах километровой длины возможны при случайных отклонениях длин траекторий на единицы километров (∆r = λ/2). Такие отклонения не могут произойти за короткий промежуток времени. Поэтому случайные неглубокие изменения уровня сигнала имеют плавный характер и протекают в течение десятков минут и даже часов. Отсутствие быстрых замираний является характерной особенностью условий приема волн СДВ и ДВ. К нерегулярным изменениям уровня сигнала следует отнести некоторое ослабление поля в начале ионосферных возмущений корпускулярного происхождения и увеличение в дни, следующие за возмущением. Внезапные возмущения типа «вспышки» поглощения всегда приводят к увеличению напряженности поля на время «вспышки» - возрастает ионизация слоя D и уменьшается проникновение волн СДВ и ДВ диапазона в поглощающую область ионосферы. С укорочением длины волны эта тенденция ослабевает.

Распространение земной волной. В этом диапазоне волн для всех видов земной поверхности токи проводимости значительно преобладают над токами смещения, благодаря чему при распространении земной волны происходит лишь крайне незначительное проникновение энергии в глубь земли. Сферичность Земли, служащая препятствием для прямолинейного распространения радиоволн, до расстояний 1000...2000 км остается соизмеримой с длиной волны, что способствует огибанию длинными волнами земного шара. Оба этих фактора обуславливают возможность распространения длинных и сверхдлинных волн земной волной на расстояние порядка 3000 км. При этом для расчета уровня поля до расстояний 500...600 км можно использовать формулу Шулейкина-Ван-дер-Поля, а на больших расстояниях - графики МККР.