Посвящение в радиоэлектронику

Для сверхдлинных радиоволн, длина которых составляет несколько километров, выпуклость Земли при не слишком больших расстояниях уже не помеха. Например, при расстоянии между передатчиком и приемником 1000 км высота шарового сегмента составит около 20 км. Следовательно, волны с частотами в десятки и сотни килогерц должны распространяться на такие расстояния.

Начались опыты по дальней радиосвязи. Гигантские антенны, построенные на восточном побережье Канады и в Англии, обеспечили успех была проведена первая радиосвязь через Атлантический океан. Доктор Фредериксон в американском журнале «Труды Института радиоинженеров» обсуждает вопрос о том, сколько каналов связи можно организовать через океан, приводит осциллограммы телеграфных сигналов, с трудом различимых среди атмосферных помех. Каналов получается мало — ведь избирательность (селективность), т. е. способность отстраиваться от соседних по частоте сигналов мешающих станций, крайне низка. Частоты станций должны отличаться друг от друга процентов на десять, делает вывод автор, а тогда в диапазоне 30…100 кГц можно разместить всего 12 каналов… Техника начала века большего не позволяла. Но в другом отношении результаты поразительны. Распространение волн на расстояние в 5…10000 км уже нельзя объяснить дифракцией. Должен существовать какой-то другой механизм их дальнего прохождения.

А чем объяснить, что днем дальность связи намного меньше, чем ночью? Маркони и проводит массу опытов, конструирует направленную антенну, но факт остается фактом: днем волны почему-то поглощаются, а ночью — нет.

В 1902 году физики А. Кенелли и О. Хевисайд высказали смелое предположение: верхние слои атмосферы должны состоять из ионизированного газа — ведь они подвергаются прямому воздействию солнечного ультрафиолета и других жестких космических излучений. Ионизированный газ проводит электрический ток, а проводники отражают электромагнитные волны. Следовательно, радиоволны должны отражаться от верхних слоев атмосферы! Гипотеза вызвала много споров, окончательно затихнувших лишь в 1925 году, когда американские инженеры Г. Брейт и М. Туве послали импульсный радиосигнал вертикально вверх, приняли отраженный сигнал и экспериментально определили высоту отражающего слоя. Долгое время ионосферу так и называли — слой Хевисайда, пока… пока не выяснилось, что отражающих слоев несколько: летним днем их не меньше четырех!

Оказывается, один ионизированный слой образовался бы, если бы атмосфера была однородной и имела одинаковую температуру на всех высотах. В действительности же состав верхних слоев атмосферы весьма неоднороден, и, кроме того, наблюдается несколько температурных инверсий (отклонений от нормального закона убывания температуры с высотой). Ближе всего к поверхности Земли на высоте около 70 км расположен слой D. Это нерегулярное образование ионосферы существует только в дневные часы, когда велика интенсивность солнечного ионизирующего излучения. На высотах 100…120 км постоянно существует слой Е. В зависимости от времени суток и года изменяется лишь концентрация свободных электронов в этом слое. Ночью слой располагается несколько выше, а днем — ниже, что также связано с изменениями потока ионизирующего излучения. Самый верхний слой, слой F, располагается на высотах 150…350 км, где и атмосферы-то уже практически нет, настолько разрежен воздух на этих высотах.

Ионосфера.

Молекулы газов, составляющих атмосферу, там распадаются на отдельные атомы, которые под действием ионизирующего излучения немедленно теряют внешние, наиболее удаленные от ядра электроны и становятся положительно заряженными ионами. А потерянные ими электроны становятся свободными и с огромными скоростями летают в верхних слоях атмосферы, пока не столкнутся с каким-либо положительным ионом. Путь, проходимый любой частицей между двумя столкновениями, называют длиной свободного пробега. В верхних слоях, где частиц мало, длина свободного пробега может быть очень большой. Процесс воссоединения электрона с ионом называется рекомбинацией. Таким образом, содержание заряженных частиц в атмосфере определяется двумя процессами: ионизацией внешним излучением и рекомбинацией из-за соударений. Теперь становится понятным, почему ионизированных атомов и молекул почти нет у поверхности Земли: поток ионизирующего излучения здесь очень мал, поскольку он уже поглотился в верхней атмосфере, а соударения очень часты и рекомбинация ионов и электронов происходит немедленно. В верхних слоях все наоборот: поток ионизирующего излучения велик, а столкновения, приводящие к рекомбинации, относительно редки. Вот поэтому практически все атомы в самых верхних слоях ионосферы ионизированы.

Днем слой F распадается на два: F₁ и F₂. Слой расположенный ниже, обусловлен ионизацией молекулярного азота, а слой F₂ — ионизацией атомарного кислорода. Ночью слой F₁ исчезает вследствие рекомбинации пар электрон-ион, а слой F₂ сохраняется, хотя концентрация электронов в нем значительно уменьшается. На приводимом рисунке показаны примерные графики, связывающие электронную концентрацию (число электронов в единице объема) с высотой. Не следует думать, что об ионосфере Земли уже все известно. В смысле познания Вселенная неисчерпаема, и она преподносит нам все новые и новые сюрпризы. Один из таких сюрпризов положил конец увлечению сверхдлинными волнами в радиотехнике.

Концентрация электронов в ионосфере.

На свете есть неугомонные люди, отдающие очень много времени и средств любимому увлечению. Таковы радиолюбители.

Как только широкой публике стали известны опыты по передаче и приему радиосигналов, во многих крупных городах были построены служебные радиостанции, радиопередатчики стали устанавливать на морских судах, появились и радиолюбители. «Чудо» радиоволн не давало им покоя. Из подручных материалов, проявляя массу изобретательности, они строили радиоприемники и слушали, слушали таинственные шорохи и трески эфира, слабые сигналы дальних радиостанций. Попытались сделать и собственные радиопередатчики. Мимо этого факта уже не могли пройти государственные службы радиосвязи — возможны были взаимные помехи. Диапазон сверхдлинных волн, как мы уже говорили, вмещает немного каналов, и он был отведен служебным станциям, а радиолюбителям отдали диапазон коротких воли (короче 200 м), как никому не нужный. Разумеется, радиолюбители не могли строить сверхмощные передатчики — мощность в несколько ватт, подводимая к антенне, считалась вполне приличной. Устанавливались связи земной или, как ее еще называют, поверхностной волной в пределах прямой видимости, на расстояниях максимум несколько десятков километров. И вдруг… в конце 1923 года два радиолюбителя установили связь между Англией и Америкой! Сообщение об этом вызвало буквально переворот в умах специалистов. В 1924 году Г. Маркони уже настоятельно рекомендует использовать для дальней связи короткие волны. В том же году радиолюбители, работая на маломощных передатчиках, установили связь между Англией и Новой Зеландией. Но Англия и Новая Зеландия почти антиподы! Значит… значит, на коротких волнах (КВ) возможна радиосвязь с любой точкой земного шара! Вот вам и ненужные короткие волны! Теперь в реальности существования ионосферы отпали всякие сомнения ведь волны, чтобы попасть на противоположную сторону земного шара, должны были отразиться от ионизированных слоев, и не один раз!

Изменилось отношение к радиолюбителям и со стороны государственных органов. Об этом свидетельствуют официальные обращения к радиолюбителям с просьбами и предложениями о совместных экспериментах в области распространения коротких волн. Радиолюбителям выдаются специальные диапазоны частот для их экспериментов. А ионосфера продолжает преподносить все новые и новые сюрпризы. Днем связь есть, ночью ее нет, или наоборот… Да что там день или ночь — в течение нескольких часов условия прохождения КВ могут резко изменяться без всяких видимых причин. Необходимы обстоятельные исследования. И такие исследования проводятся — и теоретические, и экспериментальные.

Давайте вкратце познакомимся и с теми и с другими.

Теоретики рассчитали показатель преломления ионосферы для радиоволн — он получился меньше единицы. Напомним, что показатель преломления в вакууме равен единице, а для обычных сред он больше единицы. Кроме того, показатель преломления ионосферы оказался сильно зависящим от частоты колебаний электромагнитной волны — чем больше частота, тем он ближе к единице. Как известно, волны всегда преломляются в сторону среды с большим показателем преломления. Следовательно, и радиоволна, попадая из стратосферы в ионосферу, преломляется и направляется обратно к поверхности Земли.

Способность ионосферы отражать, а точнее говоря, преломлять радиоволны зависит и от угла падения волны на ионизированный слой. Если радиолуч послать вертикально вверх, то он может вернуться обратно, а может, пронизав ионосферу, безвозвратно исчезнуть в просторах космоса. Все зависит от частоты электромагнитных колебаний: если она ниже некоторой критической частоты, то луч возвращается, если выше — то нет. Ученые показали, что критическая частота зависит только от концентрации электронов в слое. Но критическую частоту можно измерять экспериментально, посылая к ионосфере радиосигналы. Таким образом, мы получаем новое средство исследования верхних слоев атмосферы, в частности средство для определения концентрации в них заряженных частиц.

Радиолуч, посланный наклонно, отражается ионосферой лучше. Касательные к горизонту лучи обеспечивают наибольшую дальность связи. Частота колебаний касательного луча, еще отражающегося от ионосферы, выше критической частоты в три-пять раз. Она называется максимальной применимой частотой или, сокращенно, МПЧ. Волны с частотами выше МПЧ, посланные с поверхности Земли, уже ни при каких условиях не могут вернуться обратно на Землю — недостаточно преломляясь в ионосфере, они уходят в космос.

Пути распространения радиоволн.

Пути радиоволн в ионосфере.

Максимально применимую частоту можно рассчитать, зная критическую частоту и высоту слоя.

Теоретики сказали свое слово — дело за инженерами. Для каждого слоя ионосферы желательно знать два параметра — критическую частоту и высоту над поверхностью Земли. Они очень изменчивы и зависят от времени суток, сезона, географического положения места, где производятся измерения, и от многих других причин, не все из которых и к настоящему времени достаточно хорошо изучены.