Propagacja fal krótkich

Fale krótkie (100—10 m) mogą się rozchodzić jako fale przyziemne i przestrzenne. Należy jednak pamiętać, że pochłanianie energii fal radiowych przez powierzchnię Ziemi rośnie ze wzrostem częstotliwości. Natomiast pochłanianie energii fal radiowych w jonosferze maleje ze wzrostem częstotliwości. Dlatego podstawowym rodzajem rozchodzenia się krótkich fal radiowych jest rozchodzenie się fal przestrzennych. Wzdłuż powierzchni Ziemi fale krótkie rozchodzą się na małe odległości. Przy mocy nadajnika radiowego rzędu dziesiątków, a nawet setek watów zasięg łączności na fali przyziemnej nie przekracza kilkudziesięciu kilometrów, szczególnie w górnej połowie zakresu fal krótkich (5—10 m). Łączność radiowa na falach krótkich za pomocą fali przestrzennej jest ekonomiczną łącznością na duże odległości. Przy normalnym stanie jonosfery podstawową warstwą odbijającą fale krótkie jest warstwa F. Leżące niżej od niej warstwy E i D pochłaniają energię tych fal i są dlatego szkodliwe dla ich rozchodzenia się. Na rysunku 1a pokazano „normalne” rozchodzenie się przestrzennych fal krótkich, a na rysunku 1b przedstawiono sposób zwiększenia zasięgu łączności na falach krótkich drogą dwóch „skoków”, czyli dwukrotnego odbicia od jonosfery i jednego odbicia od powierzchni Ziemi.

Rys. 1. Rozchodzenie się przestrzennych fal krótkich: a — z jednym „skokiem”, b — z dwoma „skokami”

Zasięg łączności w tym przypadku zależy od kąta padania fali na granicę jonosfery: im większy jest kąt padania fali, tym większy jest zasięg „skoku”. Łączność taka jest ekonomiczna dzięki temu, że przy prawidłowym doborze długości fali pochłanianie energii fal krótkich w jonosferze jest nieznaczne (dużo mniejsze niż fal średnich) i dlatego w punktach powrotu fal odbitych na Ziemię natężenie pola elektromagnetycznego może być dostateczne do odbioru, nawet przy stosunkowo małej mocy nadajnika radiowego. Aby wyjaśnić istotę wyboru odpowiedniej częstotliwości w zakresie fal krótkich, przeanalizujemy rysunek 2.

Rys. 2. Schemat rozchodzenia się fal, których częstotliwość jest mniejsza od częstotliwości krytycznej, wypromieniowanych pod różnymi kątami wzniesienia

Przedstawiono na nim schemat rozchodzenia się fali krótkiej, której częstotliwość jest większa od częstotliwości krytycznej warstwy jonosferycznej. Nachylenie promienia padającego nie będziemy określali za pomocą kąta padania δ1, lecz za pomocą kąta wzniesienia Θ, który jest zawarty pomiędzy torem promienia fali i prostą styczną do powierzchni Ziemi w punkcie promieniowania fali. Przy padaniu stromym Θ ≈90° fale radiowe przechodzą przez jonosferę i wchodzą do przestrzeni kosmicznej. Kiedy kąt wzniesienia ma tak zwaną wartość krytyczną Θkr (kąt krytyczny dla danego stopnia jonizacji warstwy i dla danej częstotliwości fal radiowych), następuje całkowite odbicie wewnętrzne i tor promienia w jonosferze jest równoległy do powierzchni Ziemi. Przy kątach wzniesienia mniejszych od wartości krytycznej fale wracają na Ziemię, a miejsce ich powrotu znajduje się tym dalej od punktu promieniowania fali, im mniejszy jest kąt wzniesienia Θ. Przy promieniowaniu w kierunku stycznym do powierzchni Ziemi osiąga się największy zasięg „skoku”, w przybliżeniu równy 4000 km. Tak więc niezbędny zasięg łączności określa kąt wzniesienia Θ, pod którym antena powinna promieniować maksimum energii. Znając wysokość do warstwy odbijającej, łatwo jest określić ten kąt za pomocą prostego rysunku geometrycznego. Aby w żądanym punkcie odbioru uzyskać dostateczne natężenie pola przestrzennych (jonosferyoznych) fal krótkich, muszą być spełnione dwa następujące warunki rozchodzenia się tych fal. Po pierwsze, należy wybrać taką częstotliwość (długość fali), która będzie mniejsza od częstotliwości maksymalnej, odbijanej jeszcze przez daną warstwę przy żądanym kącie wzniesienia. Po drugie, energia fal tej częstotliwości nie powinna być zbytnio pochłaniana przy dwukrotnym przechodzeniu ich (do góry i w dół) przez warstwy E i D (pochłanianie energii maleje ze wzrostem częstotliwości). Wynika z tego, że wybór częstotliwości dla łączności na falach krótkich za pomocą fali przestrzennej jest ostro ograniczony pewną maksymalną wartością, możliwą do przyjęcia ze względu na odbicie (ograniczenie od góry) i niezbyt ostro ograniczony pewną minimalną wartością częstotliwości, która spełnia wymaganie odnośnie pochłaniania energii. Obie te wartości graniczne częstotliwości odnoszą się do danej pory doby, czyli do danego stopnia jonizacji warstwy F oraz do określonego toru promienia, tj. do kąta wzniesienia Θ. Omówiony wyżej „normalny” schemat rozchodzenia się fal krótkich pozwala na wyjaśnienie różnicy pomiędzy falami „dziennymi” i „nocnymi”. Dla łączności na duże odległości w dzień stosuje się najkrótsze fale tego zakresu, o długościach mieszczących się w granicach od 10 do 25 m. Fale o tych długościach, wypromieniowane pod małym kątem wzniesienia, mogą się odbijać od warstwy F. Oczywiście fale dłuższe odbiłyby się znacznie wcześniej, ale przy wysokim stopniu jonizacji dziennej warstw E i D straty energii w tych warstwach byłyby zbyt duże i należałoby znacznie zwiększyć moc nadajników radiowych, co nie jest korzystne. Dla łączności na duże odległości w czasie nocy wykorzystuje się dolną część zakresu fal krótkich, czyli mniej więcej od 35 do 100 m, ponieważ przy zmniejszonym stopniu jonizacji warstwy F fale krótkie nie odbijają się od niej, nawet przy bardzo małym kącie wzniesienia. Natomiast w nocy straty energii w dolnych warstwach jonosfery nie są zbyt duże, ponieważ warstwa D nie istnieje, a stopień jonizacji warstwy E jest dużo mniejszy niż w dzień. Fale o długościach od 25 do 35 m, to jest część zakresu pomiędzy falami dziennymi i nocnymi, są z powodzeniem wykorzystywane dla łączności w czasie wschodu i zachodu Słońca. Należy zaznaczyć, że podane wyżej granice trzech części zakresu fal krótkich są przybliżone i nie można ich określić dokładnie. Są bowiem zależne od pory roku oraz od fazy 11-letniego okresu aktywności słonecznej. Wszystko, co powiedzieliśmy o „normalnym” rozchodzeniu się fal krótkich, dowodzi tego, że ekonomiczność łączności na tych falach na duże odległości uzyskuje się przez utrudnienie eksploatacji. Trzeba bowiem kilka razy w ciągu doby zmieniać częstotliwość radiostacji i to w określonym czasie. Należy jednak wiedzieć, że „normalne” warunki rozchodzenia się fal krótkich w jonosferze są naruszane przez szereg zjawisk dodatkowych, charakterystycznych dla łączności na falach krótkich i wpływających ujemnie na tę łączność. Jeżeli na falach długich podstawowym rodzajem zakłóceń są wyładowania atmosferyczne, to na falach krótkich najbardziej niebezpieczne są zakłócenia od innych nadajników radiowych. Częstotliwości dogodne do łączności na duże odległości w określonych porach doby są przydzielane wielu radiostacjom, a promieniowane przez nie fale rozchodzą się na duże odległości i powstają w ten sposób zakłócenia wzajemne. Jest rzeczą zrozumiałą, że wymagania odnośnie do walki z zakłóceniami od innych nadajników radiowych komplikują warunki łączności. Nie mniej szkodliwym zjawiskiem dla łączności na falach krótkich są zaniki, które w tym zakresie fal są bardziej długotrwałe i występują częściej niż na falach średnich. Istota tych zaników jest taka sama jak i na falach średnich, czyli są one wynikiem interferencji fal, przychodzących do punktu odbioru różnymi drogami i ze zmieniającymi się w czasie przesunięciami fazowymi. Odstępy czasu pomiędzy dwoma zanikami (minimalnymi wartościami wypadkowego natężenia pola) mogą być rzędu ułamka sekundy, sekundy i rzadziej dziesiątek sekund. Amplituda natężenia pola (od minimum do maksimum) może się zmieniać dziesiątki, a nawet setki razy. W odróżnieniu od zaników na falach średnich, których przyczyną jest interferencja fal przyziemnych i przestrzennych, zaniki na falach krótkich zazwyczaj są wynikiem współdziałania kilku fal przestrzennych, które przeszły różne drogi w jonosferze. Na przykład na rysunku 2 pokazano odbiór fal, z których jedna miała jedno odbicie od jonosfery, a druga — dwa odbicia. Może wystąpić interferencja pomiędzy wiązkami fal, promieniowanych przez nadajnik pod różnymi kątami i wzajemnie pokrywającymi się w punkcie odbioru. Oprócz tego istnieje szczególny rodzaj tak zwanych zaników polaryzacyjnych. Wiadomo, że jeżeli antena nadawcza jest pionowa i promieniuje fale spolaryzowane pionowo, to do odbioru tych fal potrzebna jest pionowa antena odbiorcza. Do odbioru fal o polaryzacji poziomej wymagana jest pozioma antena odbiorcza. Jednak współdziałanie pól elektromagnetycznych fal radiowych i elektronów w jonosferze może powodować zmiany polaryzacji fal i wówczas występuje zanik odbioru. Dodatkowym zakłóceniem tej łączności może być echo radiowe. Przy przejściu fal krótkich wokół kuli ziemskiej drogą wielokrotnych odbić od jonosfery i od powierzchni Ziemi pochłanianie energii fal jest tak małe, że możliwy jest powtórny odbiór tego samego sygnału. Takie „proste wokółziemskie echo” występuje po upływie 0,13 sekundy od chwili odbioru sygnału podstawowego. Przy odbiorze radiotelegraficznym (szczególnie telegrafii szybkiej) echo radiowe może wypaczyć odbierany tekst, przy odbiorze radio-telekopiowym może popsuć odbierany obraz, a przy odbiorze radiotelefonicznym może powstać długotrwały przydźwięk akustyczny (pogłos, rewerberacja).

Rys. 3. Schemat przeciwnego wokół-ziemskiego echa radiowego

Rys. 4. Możliwy tor rozchodzenia się radiowej fali krótkiej wokół kuli ziemskiej

Możliwe jest również „przeciwne echo wokółziemskie”, czyli powtórny odbiór fali, która okrążyła Ziemię w kierunku przeciwnym do podstawowego (krótszego) kierunku łączności rys. 3. Jednak kierunkowość anten — nadawczej i odbiorczej może wykluczyć działanie przeciwnego echa wokółziemskiego. Rozchodzenie się fal krótkich wokół kuli ziemskiej prawdopodobnie jest możliwe nie tylko w wyniku wielokrotnych odbić szeregowych pomiędzy jonosferą i powierzchnią ziemi, ale również na skutek wielokrotnych odbić „poślizgowych” od warstwy F, jak to pokazano na rysunku 4. Ten rodzaj rozchodzenia się fal charakteryzuje się tym, że energia ich nie jest pochłaniana przez warstwy jonosfery D i E oraz przez powierzchnię Ziemi. Oprócz radiowego echa wokółziemskiego może wystąpić również „bliskie” echo radiowe. Na przykład ma ono miejsce wówczas, gdy do odbiornika radiowego przychodzi z początku sygnał podstawowy drogą jednego „skoku”, a następnie opóźniony sygnał echa, przechodzący dwoma skokami. Zazwyczaj odstęp czasowy pomiędzy tymi dwoma sygnałami jest mały i dlatego echo bliskie jest wykrywalne tylko przy odbiorze krótkich impulsów, nadawanych z dużą szybkością. W strefach biegunowych Ziemi, orientacyjnie w promieniu 2000—3000 km od biegunów, łączność radiowa na falach krótkich jest często zakłócana zaburzeniami jonosferycznymi, które w większości występują w warstwie F. Powodują one nieregularne zmniejszanie się stopnia jonizacji warstwy, a nawet zupełne zanikanie jonizacji na kilka godzin. Możliwe jest również powstanie nowych dodatkowych warstw oraz zmiana wysokości położenia warstwy F. Wszystkie te zjawiska bardzo osłabiają natężenie pola sygnału, obliczone na „normalne przechodzenie fal w jonosferze”. Dla zwiększenia niezawodności łączności na falach krótkich w strefach biegunowych Ziemi zaleca się konstruowanie nadajników radiowych z dużym zapasem mocy i wyposażanie ich w anteny ostro-kierunkowe. Odbioru zaś należy dokonywać jednocześnie za pomocą dwóch odbiorników radiowych, których anteny powinny być rozmieszczone w różnych odległych od siebie rejonach. Oczywiście w tych strefach bardziej niezawodna jest łączność na falach długich i ultrakrótkich, jeżeli tylko istnieje możliwość zastosowania jej tam. Warunki łączności radiowej na falach krótkich ulegają zmianom pod wpływem różnych faz 11-letniego okresu aktywności słonecznej. W latach dużej aktywności słonecznej w czasie dnia krytyczna częstotliwość warstwy F jest większa (niekiedy dwukrotnie) niż w latach małej aktywności słonecznej. W tabeli 2 podano przybliżone wartości częstotliwości krytycznych warstwy F dla średnich szerokości geograficznych.

Tabela 2

W latach dużej aktywności słonecznej należy wybierać większe częstotliwości dla łączności, ponieważ ich energia jest mniej pochłaniana przez dalsze warstwy jonosfery, co jest korzystne dla łączności na duże odległości. Jednak w latach dużej aktywności słonecznej jest bardziej prawdopodobne powstawanie w jonosferze różnych zjawisk nieregularnych, a w pierwszym rzędzie zaburzeń, które mogą powodować przerwy w łączności. Przy organizowaniu łączności radiowej na falach krótkich należy uwzględniać to, że pomiędzy strefami odbioru fal przyziemnych i przestrzennych istnieje tak zwana strefa martwa. Na rysunku 5 przedstawiono schemat zjawiska strefy martwej, dla przypadku kiedy antena nadawcza w płaszczyźnie poziomej promieniuje równomiernie we wszystkich kierunkach. Strefa martwa ma postać pierścienia rozdzielającego strefy fal przyziemnych i przestrzennych. Granice tego pierścieniowego pasa strefy martwej określają minimalne wartości natężenia pola, przy którym jest jeszcze możliwy odbiór na tle zakłóceń. Przyczyną istnienia strefy martwej jest to, że fale przyziemne do niej już nie dochodzą na skutek pochłaniania ich energii przez powierzchnię Ziemi, zaś fale przestrzenne nie dochodzą jeszcze do niej, ponieważ odbijają się one od jonosfery przy kącie padania mniejszym od krytycznego i wracają na Ziemię poza strefę martwą.

Rys. 5. Schemat zjawiska strefy martwej

Promień wewnętrzny strefy martwej r oczywiście jest zależny od mocy promieniowania fal przyziemnych, ale rzadko przekracza długość 100 km. Natomiast promień zewnętrzny tej strefy g, przy dużym zasięgu radiostacji krótkofalowej, czyli przy promieniowaniu fal pod małymi kątami wzniesienia, może przekraczać tysiąc kilometrów. Z punktem, który leży w granicach strefy martwej, dla danej długości fali i danej anteny nadawczej, nie można nawiązać łączności przez zwiększanie mocy nadajnika. Tak więc możliwość łączności radiowej na falach krótkich może być wykorzystana tylko przy skrupulatnym uwzględnianiu ich właściwości.

Na podstawie książki N.M. Izjumowa i D.P. Lidego „Podstawy radiotechniki”

Home

Telekomunikacja

Propagacja fal radiowych