Разпространение на радиовълни

Разбиране на разпространението на радио вълните

Изучаването на принципите на разпространение на електромагнитните вълни и придобиването на сравнително добри работни познания за разпространението на радиото извървяват дълъг път за повишаване на качеството на преживяването в ефир за всеки оператор на радиолюбителска радиостанция. Това е сложен предмет, в който влизат в игра много променливи от природата. Радиочестотният спектър е изключително широк, започвайки от ELF, VLF, LF и преминавайки през MF, HF, VHF и UHF в горния микровълнов спектър, L, S, C, X, Ku, K и извън него.

Поведението на разпространение през различни среди при различни честотни ленти варира драстично. Като радиолюбители, ние се занимаваме най-вече с MF, HF, VHF, UHF и долния сегмент на микровълновия спектър. Най-предизвикателното от всичко това е разпространението на високочестотното радио. ВЧ радиоразпространението се влияе значително от няколко екзогенни фактора като сезони, вариации на геомагнитното поле, нормална слънчева активност и преходни коронални изхвърляния от слънцето. Важни са не само основните принципи, но и способността за разумно прогнозиране на възможностите за разпространение на базата на различни геофизични параметри и показатели за слънчевата радиация.

Основи на разпространението

Когато подходяща антена се задвижва от радиопредавател, той излъчва енергия в свободното пространство под формата на електромагнитни (ЕМ) вълни. ЕМ вълните се произвеждат от сложен механизъм. В непосредствена близост до антената (в рамките на 1/2λ до 1λ), енергийното поле се нарича индукционно поле. Бърза и прогресивна трансформация се извършва в този регион, преминавайки през регионите на Рейли (реактивен) и Френел (нереактивен). Накрая се образува ЕМ вълна, която се отделя напълно от антената, докато се разпространява в областта на далечното поле. ЕМ вълната носи цялата енергия, която е била предадена на нея и се отдалечава в свободното пространство със скоростта на светлината. Докато пътува, поведението му се управлява от законите на физиката и свойствата на средата. Средата за разпространение на радиото може да не е хомогенна и следователно ЕМ вълната може да бъде подложена на различни физически явления като отражения.

VHF/UHF & Разпространение в свободно пространство

Разпространението на радиото в свободното пространство, както предполага терминът, се отнася до неограничено разпространение през почти хомогенна среда в отсъствието на всякакъв вид обекти или полета на частици/енергии, които биха могли да променят разпространението. За практическа цел разпространението на радиото през междупланетно пространство или земен режим от точка до точка, когато не е повлияно от наличието на земя, сгради, други създадени от човека структури и топологични образувания като хълм, планини и т.н., се счита за разпространение в свободното пространство. Микровълнова наземна релейна връзка от една кула до друга е класически пример. Въпреки това, в практически сценарии, при които VHF/UHF връзките често са повлияни от аномалии на времето, причинявайки огъване на вълната поради градиента на атмосферния индекс на пречупване също е включено в този режим.

Разпространение на земна/повърхност вълна

Терминът повърхностна вълна често се използва неправилно, но взаимозаменяемо със земна вълна. Повърхностната вълна е подмножество на земната вълна, която включва също директни вълни и отразени от земята вълни. Разпространението на радиото на повърхностните вълни е чувствително към поляризация. Практическата проява на повърхностни вълни се случва само при вертикално поляризирани сигнали. Хоризонтално поляризираните сигнали бързо се абсорбират от земната почва и следователно не могат да се разпространяват достатъчно далеч. Въпреки че е наложително да имате вертикално поляризирана TX антена, в идеалния случай както TX, така и RX антените трябва да бъдат вертикално поляризирани. Това избягва загубите на кръстосана поляризация. Повърхностните вълни се проявяват само в по-ниски ленти като VLF, LF, MF и долната част на HF. Покритието намалява с честота, докато по-добрата проводимост на почвата го подобрява.

Слънчева активност и йоносфера

Разпространението на късовълновото високочестотно радио е почти изцяло зависимо от наличието на йоносфера. Ако нямаше йоносфера, HF радиото щеше да бъде ограничено до повърхностни вълни с малък обсег и това също в долната част на HF спектъра. Средните и горните HF ленти биха били напълно мъртви за наземното радио. За разлика от VHF/UHF, дори радиоразпръскването на къси разстояния не би се случило. Поради по-дългите дължини на вълната на HF, първото изчистване на зоната на Френел от земната повърхност би било трудно. Може би HF би служил само за космическо радио с ниска скорост на данни. За щастие йоносферата съществува. Тя съществува само поради непрекъснат поток от субатомни частици и високи енергийни емисии от слънцето, които се движат с висока скорост през Слънчевата система. Нарича се слънчев вятър. Той взаимодейства с горната атмосфера на Земята, за да образува йоносферата.

Разпространение на йоносферните небесни вълни

Истинската полезност на HF радиото произтича от способността му да използва свойствата на йоносферата за осъществяване на глобална комуникация. Йоносферата не е хомогенен рефлектор. Това е огромен балдахин, обграждащ земята, започващ от 50 км височина и достига до 600 км или повече. Той има множество градуирани слоеве от йонизирани зарядни частици, които са динамични и турбулентни с променливи във времето свойства. Градиентите на височината и плътността варират ежедневно, сезонно и в съответствие със слънчевата активност. Слънчевата активност варира непрекъснато с времето и показва 28-дневен и 11-годишен цикъл. Пространството между земята и йоносферата образува 3D концентричен сферичен канал. HF радиовълните от TX антената отскачат напред-назад между земята и йоносферата, докато скачат по целия свят. Този процес е сложен поради динамичната природа на йоносферата.

Прогнозиране на разпространението

Проследяването и прогнозирането на разпространението става важно в контекста на КВ радиото. При VHF/UHF или по-високо поведението на комуникационната връзка е много по-лесно за изчисляване. При тези честоти разпространението е стабилно с много малко времеви или сезонно вариращи параметри. Такива параметрични варианти имат малък ефект, който се отчита чрез допускане на адекватни маржове. Това важи и за MF и за по-ниските честоти. Въпреки това, разпространението на HF небесните вълни е различно. Йоносферните вериги за разпространение с множество прескачания са като маргаритни вериги. По пътя, във всяка йоносферна контактна точка, разпространяващата се вълна се сблъсква с отчетливо различно поведение. Свойствата на йоносферата във всяка от тези точки постоянно се променят с въртенето на Земята, наклона и променящата се слънчева активност. Следователно, цялостната производителност на HF веригата варира от минута до минута.

Разпространение на космическото радио

Разпространениетона космическото радио обхваща огромно поле, включително междупланетни и дълбоки космически комуникации. Въпреки това, за радиолюбителския оператор най-важният аспект е сателитната комуникация, използваща изкуствени спътници и може би единственият естествен спътник на Земята, Луната. От десетилетия радиолюбителските оператори използват специални LEO любителски радио сателити за установяване на контакти на разумно дълги разстояния по VHF/UHF. Любителското космическо радио открива нови предизвикателства. Освен постоянно променящото се доплерово изместване, сигналите срещат дифракция, атмосферните градиенти водят до огъване на пътищата на разпространение, а също и до въртене на Фарадей, което причинява изместване на поляризацията. EME или луна-отскок добавя също и обръщане на поляризацията. Всичко това е много завладяващо.