Электромагнитные волны

Природа излучения и распространения электромагнитных колебаний (волн) объясняется законами, установленными Максвеллом и развитыми другими исследователями..

В соответствии с этими законами при изменении магнитного поля возникает связанное с ним переменное электрическое поле, и наоборот, при изменении электрическою поля появляется связанное с ним переменное магнитное поле. Взаимодействие переменных электрического и магнитного полей образует движущуюся электромагнитную волну.

Таким образом, в результате изменения величины тока, проходящего по проводнику, в окружающем  его  пространстве  появляются  электромагнитные волны, которые распространяются во все стороны от проводника со скоростью света. Вектор напряженности электрического поля Е перпендикулярен вектору напряженности магнитного поля  И (график  на рис. 208).

Направление распространения электромагнитной волны определяется поступательным движением буравчика, если его поворачивать от Е к Н в сторону наименьшего углового расстояния, т. е. электромагнитная волна распространяется в направлении, перпендикулярном векторам электрического и магнитного полей. Поэтому электромагнитные волны называют поперечными.

Земля не является идеальным проводником. Электромагнитные волны при своем распространении проникают внутрь земли, вследствие чего в ней появляются вихревые токи, а вместе с ними и потери. Потери возрастают по мере укорочения волны.

Кроме того, для обеспечения связи на большие расстояния необходимо, чтобы электромагнитные волны обладали способностью огибать шарообразную земную поверхность.

Для характеристики особенностей распространения электромагнитных колебаний на различных диапазонах частот, следует   предварительно вкратце ознакомиться с основными законами распространения радиоволн.

1. В однородной среде (в среде, обладающей одинаковыми  электрическими свойствами) электромагнитные волны распространяются прямолинейно; на значительном расстоянии от передающей антенны электромагнитную волну можно практически считать плоской.
2. При переходе электромагнитной волны из одной среды в другую на границе двух сред возникает преломление и отражение радиоволн, которое определяется по законам световой оптики.
3. Электромагнитные волны в процессе распространения способны огибать встречающиеся на пути предметы.
   Это явление называется дифракцией. Чем больше длина волны, тем большей дифракционной способностью она обладает.
4. Если волна проходит через среду с плавно меняющейся диэлектрической проницаемостью, происходит изменение направления распространения. При переходе из среды с большой диэлектрической проницаемостью в среду с малой диэлектрической проницаемостью при большом угле падения может произойти полное внутреннее отражение. Вместе с тем, например, при распространении электромагнитной волны из воды в воздух можно обеспечить условия, при которых волна по выходе из воды начнет распространяться вдоль водной поверхности.
5. Приемной антенны достигают электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль земной поверхности (поверхностные волны) и электромагнитные волны, однократно или многократно отраженные от ионосферы и земли  (пространственные волны).

В зависимости от фаз падающей и отраженной волн результирующее поле в точке приема может оказаться больше или меньше составляющих его волн. Поле может даже стать равным нулю, если падающая и отраженная волны равны по величине и противофазны.

Ионосфера (верхняя область атмосферы) оказывает существенное влияние на распространение электромагнитных волн. Под влиянием ультрафиолетовых излучений солнца и мельчайших материальных частиц (корпускул), которые выбрасываются солнцем, происходит ионизация нейтральных атомов атмосферы. Интенсивность ионизирующих факторов и плотность воздуха верхней части атмосферы в пределах 100—400 км от поверхности земли различны. Поэтому ионосферу условно разделили на слои: слой Д — на высоте 70—80 км; слой Е — на высоте 100— 120 км; слой F₁ — на высоте 220—250 км и слой F₂ — на высоте 400 км. Наибольшая концентрация свободных электронов имеет место в части ионосферы, находящейся на высоте около 350 км от поверхности земли (слой F₂).

Концентрация свободных электронов в слое Е и в слоях, расположенных выше слоя F₂, незначительны. В первом случае это объясняется малой интенсивностью солнечных лучей, которые теряют свою энергию при прохождении через верхние слои ионосферы; во втором — малой плотностью воздуха, несмотря на значительную интенсивность энергии солнечных лучей. В слоях ионосферы одновременно с ионизацией происходит обратный процесс — деионизация.

Теперь рассмотрим, как распространяются радиоволны различной длины. В зависимости от особенностей распространения радиоволны делятся на длинные (от 3000 до 30 000 м), средние (от 200 до 3000 м), короткие (от 10 до 200 м) и ультракороткие (от 1 мм до 10 м). Ультракороткие волны (УКВ) подразделяются на метровые волны (от 1 до 10 дцм) дециметровые (от 1 до 10 дцм), сантиметровые волны (от 1 до 10 см) и миллиметровые волны (от 1 до 10 мм).

Длинные волны за счет дифракции распространяются поверхностным лучом на расстояние до 3000— 4000 км. На большие расстояния длинные волны распространяются пространственным лучом, многократно отражаясь от слоя Е и от земли. Слой Е имеет электронную ионизацию, постоянную и достаточную, чтобы обеспечить отражение пространственного луча с малыми потерями. Правда, в дневные часы наблюдается ионизация слоев, лежащих ниже слоя Е, в которых при отражении происходит дополнительное поглощение энергии пространственного луча. Поэтому интенсивность приема на длинных волнах в дневное время падает.

Электромагнитные волны  средневолнового диапазона   распространяются как поверхностным, так и пространственным лучами. Электронная концентрация слоя Е недостаточна для отражения  пространственного луча. Он отражается от слоя F₁ или даже F₂ дважды теряя свою энергию при прохождении слоя Е, и возвращается на землю значительно ослабленным. Потери в слое Е особенно велики в дневное время, кокда электронная концентрация этого слоя сравнительно высока.

Поверхностный  и  пространственный лучи до точки приема проходят разные пути, а следовательно, они имеют в общем случае и разные фазы. В ночное время, вследствие уменьшения затухания в слое Е и флуктационных изменений внутри этого слоя, уровень приема на средних волнах все время меняется. На более высоких частотах средневолнового диапазона может иметь место явление замирания — фидинг, который, если не применять специальных мер, приводит к полному нарушению связи.

Короткие волны сильно поглощаются землей и поэтому поверхностным лучом распространяются на расстояние, не превышающее примерно 100 км. Поэтому связь на коротких волнах осуществляется за счет пространственного луча (отражение происходит от слоя F₂, а поглощение — в слое Е). Поглощение обратно пропорционально частоте, ввиду этого потери энергии коротких волн при прохождении слоя Е значительно меньше, чем у электромагнитных волн средневолнового диапазона. Связь на коротких волнах в дневное время обеспечивают на более высоких несущих частотах, чем в ночные часы. Это объясняется тем, что днем электронная концентрация слоя F₂ велика и максимальная частота, которая способна отражаться от этого слоя, возрастает, связь становится более устойчивой.

Еще заметнее, чем на средних волнах, в диапазоне коротких волн проявляются замирания, так как в точку приема поступают электромагнитные волны с различными, в том числе и противоположными фазами   в результате одно кратного и многократного отражений от земли и ионосферы.

На коротких волнах наблюдается также явление эхо, которое заключается в том, что точки приема достигают электромагнитные волны, прошедшие в ионосфере различные пути. В результате принимаемый сигнал может «растягиваться», постепенно затухая в течение нескольких десятых долей секунды.

Диапазону коротких волн свойственна зона молчания (мертвая зона), где прием отсутствует, так как в эту зону, отстоящую от передатчика на расстояние 100—200 км, поверхностный луч уже не доходит (из-за поглощения в земле), а пространственный луч еще не попадает.

В диапазоне коротких волн могут происходить нарушения связи во время магнитных бурь, которые вызываются излучаемыми солнцем частицами, изменяющими электронную концентрацию ионосферы.

Ультракороткие волны (УКВ) распространяются, в основном, в пределах прямой видимости. Расстояние прямой видимости можно определить по формуле

S_(км) = 3,6(√h_А1 + √h_А2)                                  (401)

где h_А1 и h_А2 — высота передающей и приемной антенн в метрах. УКВ отражаются от земли и от окружающих предметов, поэтому точки приема могут достигать два луча: прямой и отраженный, с различными фазами.

В зависимости от состояния нижних слоев атмосферы (тропосферы) —от температуры, влажности, давления — на распространении УКВ сказывается рефракция (отклонение от прямолинейного распространения), в результате чего увеличивается дальность прямой связи. С учетом рефракции в формуле (401) коэффициент 3,6 повышают до 4—4,5.

Иногда в тропосфере образуются слои с такими коэффициентами преломления, которые обусловливают особенно благоприятные условия распространения УКВ («волновой канал»), тогда связь на УКВ может осуществляться на сверхдальние расстояния.