Artykuły » Trochę teorii » Propagacja fal radiowych

Jak to się dzieje, że możemy rozmawiać na odległość tysięcy kilometrów?


Schemat odbicia fal radiowych od jonosfery. Opis: 1. Ziemia, 2. Troposfera, 3. Jonosfera, 4. Fala powierzchniowa, 5. Fala jonosferyczna, 6. Fala troposferyczna.

Łączności lokalne robimy na fali bezpośredniej. Oznacza to, że obie anteny przynajmniej teoretycznie powinny się "widzieć". O zasięgu decyduje wysokość umieszczenia anteny, a w mniejszym stopniu moc nadajnika.

Fala przyziemna rozchodzi się wzdłuż powierzchni Ziemi (ulega zakrzywieniu zgodnie z jej krzywizną). W przypadku łączności za pośrednictwem tej fali anteny nie muszą być w bezpośredniej widoczności. O zasięgu głównie decyduje moc nadajnika.

Łączności na wielkie odległości robimy na fali odbitej od zjonizowanych warstw gazów w jonosferze. Stacje nadawcze i odbiorcze nie muszą być w bezpośredniej widoczności. Moc nadajnika, oraz jego wysokość nad powierzchnią ziemi nie ma tak istotnego znaczenia.

W zależności od kąta elewacji promieniowania anteny, oraz długości fali [różna wysokość warstwy odbijającej], zasięg takiej łączności może wynosić od kilkuset do kilku tysięcy kilometrów przy pojedynczym odbiciu. Możliwe jest wielokrotne odbicie od ziemi i jonosfery, dzięki czemu możemy przy wyjątkowo sprzyjających warunkach objąć zasięgiem łączności całą Ziemię.

Cecha charakterystyczną jest to, że występują strefy martwe w miejscach gdzie fala "wędruje" ku wyższym warstwom atmosfery i doskonałej łączności, gdzie dotyka ziemi. Niejednokrotnie stacje oddalone o tysiące kilometrów są słyszalne lepiej niż te lokalne.

Zasadniczy wpływ na rozchodzenie się fal radiowych ma budowa atmosfery oraz zjawiska w niej zachodzące. Tylko w niektórych przypadkach mamy do czynienia z propagacją fal w przestrzeni swobodnej (okołoziemskiej). W wielkim uproszczeniu w atmosferze można wyróżnić dwie istotne dla radiokomunikacji warstwy: troposferę i jonosferę, przedzielone dość obojętną stratosferą.

Propagacja fal w troposferze

Troposfera rozciąga się od powierzchni Ziemi do wysokości od około l0km nad biegunami do 18km nad równikiem. Charakteryzuje się ona stałym składem powietrza i spadkiem temperatury z wysokością.
Propagacja fal w troposferze jest silnie uzależniona od zjawisk meteorologicznych. Fale radiowe mogą być tłumione i rozpraszane w stopniu zależnym od zakresu. Może w niej zachodzić refrakcja, czyli odchylenie toru fali od linii prostej.

Propagacja fal w jonosferze

Jonosfera jest znacznie bardziej skomplikowanym mechanizmem. Jest ona mocno zjonizowaną przez promieniowanie słoneczne częścią atmosfery znajdującą się powyżej 60 km nad powierzchnią Ziemi. Oprócz Słońca, czynnikami jonizującymi są promieniowanie kosmiczne i pył kosmiczny wchodzący w kontakt z atmosferą.

W jonosferze wyróżniono szereg warstw o różnych właściwościach. Ich grubość zmienia się zależnie od intensywności czynników jonizujących, szczególnie dobowej.
W ciągu dnia wyróżnia się cztery warstwy:
D (60-90km),
E (100-120km),
F1 (180-240km, istnieje tylko latem),
F2 (230-400km, dość niestabilna).

Nocą warstwy D i F1 zanikają, a pozostałe warstwy wykazują własności słabsze niż za dnia. Zasadniczo fale radiowe odbijają się od jonosfery. Wiry i wiatry jonosferyczne, związane z oddziaływaniem mas Słońca i Księżyca, powodują dodatkowo rozproszenie fal. Częstym zjawiskiem są odbicia fal od zjonizowanych śladów przejścia meteorów (czasem sięgających w dół do stratosfery).
Przejście fal elektromagnetycznych przez jonosferę jest uzależnione od długości fal i kątów padania na powierzchnię jonosfery.

Fale długie [zakres częstotliwości od 15 do 100 kHz], wskutek bardzo małego tłumienia w gruncie, który dla tego zakresu zachowuje się praktycznie jak przewodnik, oraz dużej dyfrakcji, rozchodzą się w postaci fali powierzchniowej na dość duże odległości. Jednakże w dalekosiężnej komunikacji na falach długich wykorzystuje się falę jonosferyczną. Zasięg łączności na falach długich wzrasta w nocy, co wynika z faktu, że tłumienie tych fal przez warstwę E jonosfery jest mniejsze, niż tłumienie ich przez warstwę D, która w nocy zanika. Warunki propagacji fal długich ulegają małym i powolnym zmianom w czasie, co jest dużą zaletą łączności długofalowej. Tłumienie fal długich przez jonosferę podlega wahaniom w rytmie dobowym, pór roku, rocznym i jedenastoletnim [okres aktywności słonecznej].

Fale średnie obejmują zakres częstotliwości od 100 kHz do 1,5 MHz, ze względu na szerokie zastosowanie w radiofonii nazywany dawniej pasmem radiofonicznym. O zasięgu na falach średnich w dzień decyduje fala powierzchniowa. Dzieje się tak, ponieważ warstwa D jonosfery nie odbija fal średnich, lecz je tłumi. Fale przedostają się do jonosfery i są odbijane przez warstwę E, ale tłumienie, a właściwie absorpcja, ich w warstwie D jest tak duża, że falę jonosferyczną można pominąć. Zjawisko to dotyczy szczególnie fali o długości 200 m. Z zapadnięciem zmroku warstwa D zanika, wskutek czego w ciągu nocy o zasięgu fal średnich decyduje fala jonosferyczna. Wtedy silne radiostacje średniofalowe są słyszalne na odległość powyżej 3000 km. Zasięg łączności na fali powierzchniowej maleje wraz z długością fali. Krążyła kiedyś niepisana zasada, że nadajnik o mocy 1 kW pracując z falą o długości 1000 m ma zasięg 1000 km, a z falą o długości 100 m tylko 100 km. Rozchodzenie się fali powierzchniowej jest też silnie uzależnione od rodzaju (konkretnie od przewodności) powierzchni Ziemi. Największy zasięg uzyskuje się nad morzem, a najmniejszy - nad terenem suchym [piaski, tereny miejskie].

W zakresie interesujących krótkofalowców częstotliwości powyżej 1,5 MHz [1,8-2 MHz] fale powierzchniowe są silnie tłumione, szczególnie nad terenem suchym. Natomiast fale jonosferyczne w dzień nie są całkowicie wytłumione przez jonosferę. Pod tym względem warunki propagacji w jonosferze są w tym zakresie korzystniejsze niż dla fal średnich. W nocy krótsze fale pośrednie ulegają odbiciu tylko w przypadku wypromieniowania pod bardzo małym kątem do powierzchni jonosfery. Zasięg fali odbitej wynosi na ogół do kilku tysięcy kilometrów. Ze względu na silne tłumienie fali powierzchniowej na terenach lądowych, fale pośrednie są używane raczej do radiokomunikacji i radionawigacji morskiej.

Fale krótkie obejmują zakres częstotliwości od 3 do 30 MHz. Ze względu na krzywiznę Ziemi i tłumienie tego zakresu fal przez powierzchnię terenu zasięg fali powierzchniowej w zakresie fal krótkich jest niewielki: od kilkudziesięciu kilometrów od nadajnika (fale rzędu 100 m) do kilku kilometrów (fale rzędu 10 m). Jednakże fale krótkie mogą się odbić (raz lub wielokrotnie) od jonosfery i od Ziemi, umożliwiając na fali jonosferycznej łączność o zasięgu ogólnoświatowym. Tę uprzejmość fale krótkie nadrabiają iście bizantyjskim skomplikowaniem praw rządzących ich propagacją.
Pierwszą niedogodnością łączności na falach krótkich jest fakt, że rozmaite częstotliwości krytyczne i maksymalne dla jonosfery leżą w tym zakresie fal. Fale krótkie są odbijane głównie przez warstwę F2, ale okresowo także inne (E i F1), w tym warstwy występujące sporadycznie. Stan i ilość warstw jonosfery zależy od kąta padania promieni słonecznych oraz od aktywności słonecznej, dlatego też w różnych przedziałach czasu warunki propagacyjne na obu końcach zakresu fal krótkich mogą ulegać zmianom. W związku z tym można uprościć sobie życie i zamknąć wielki temat fal krótkich stwierdzeniem, że o wartości maksymalnej użytecznej częstotliwości w zakresie fal krótkich decydują pory doby, pory roku i faza cyklu aktywności słonecznej. Ogólnie częstotliwość ta jest większa w dzień niż w nocy, jej nocna wartość jest większa w lecie, a wartość dzienna zimą (szczególnie przed południem).
W praktyce zdarza się odchylenie rzeczywistej drogi fal krótkich od trasy najkrótszej (ortodromy). Zjawisko to nazywamy propagacją pozaortodromową. Spowodowane jest ono zmianami wysokości warstw jonosferycznych w obszarach wschodu i zachodu Słońca - na przejściu pomiędzy obszarem oświetlonym a strefą cienia następuje nachylenie pułapu jonosfery. Odbicie od warstwy nachylonej powoduje czasowe odchylenie toru fali. podobnie dzieje się wskutek odbić od nachylonej powierzchni terenu w miejscu odbicia fali od Ziemi. Zmiany wysokości jonosfery wywołują dodatkowo efekt Dopplera.
Poważne pogorszenia łączności na falach krótkich są spowodowane przez burze jonosferyczne. Częstotliwość występowania burz jonosferycznych jest związana z przebiegiem jedenastoletniego cyklu aktywności słonecznej - najwięcej w latach maksimum plam słonecznych. Burza jonosferyczna trwa zazwyczaj od kilku godzin do paru dni, przeważnie jednak nie dłużej niż dwie doby.
Szczególnym rodzajem zaburzenia jonosferycznego jest zjawisko zaniku powszechnego, czyli zaniku odbioru fal krótkich na całej półkuli oświetlonej przez Słońce. Normalnie zanik powszechny jest krótkotrwały; od kilku minut do 2 - 3 godzin. Najdłużej trwa na mniejszych częstotliwościach zakresu. Przyczyną zaniku powszechnego są rozbłyski w chromosferze Słońca, czyli protuberancje, którym towarzyszy wzmożone promieniowanie ultrafioletowe, a także korpuskularne i kosmiczne. Sam zanik powszechny jest spowodowany przez promieniowanie ultrafioletowe, które biegnąc z prędkością światła dochodzi do Ziemi i wywołuje wzrost jonizacji warstwy D i w efekcie gwałtowny wzrost absorpcji fal krótkich. Znacznie wolniejsze promieniowanie korpuskularne (około 1600 km/s) osiąga granice jonosfery kilkudziesięciu godzinach wywołując burze jonosferyczne.
Innym efektem charakterystycznym dla fal krótkich jest zjawisko echa. Jego źródłem jest zaleta tego zakresu fal, czyli ogólnoświatowy zasięg. Fala z nadajnika może docierać do odbiornika zarówno najkrótszą drogą jako sygnał bezpośredni, albo jako sygnał pośredni po okrążeniu Ziemi. A może to zrobić nawet wielokrotnie. Różnicy drogi sygnałów bezpośredniego i pośredniego równej 1000 km odpowiada różnica czasu odebrania sygnałów około 3 milisekund. Zjawisko echa występuje najczęściej gdy nadajnik i odbiornik znajdują się w strefie zmiany pory doby (w strefie półmroku). Droga obu sygnałów przebiega wtedy wzdłuż strefy półmroku. Dla radiokomunikacji fonicznej zjawisko echa jest dość szkodliwe, ponieważ wielokrotne echa mogą znacznie obniżyć jakość sygnału. Prawdziwy kłopot jest z transmisją danych cyfrowych.

Fale ultrakrótkie i mikrofale obejmują częstotliwości powyżej 30 MHz. Wyróżnia się cztery podzakresy:
- fale metrowe 30 - 300 MHz (10m - 1 m),
- fale decymetrowe 300 - 3000 MHz (1 m - 10 cm),
- fale centymetrowe 3 - 30 GHz (10 cm - 1 cm),
- fale milimetrowe 30 - 300 GHz (10 mm - 1 mm).
W części pasma mikrofalowego od 1 do 40 GHz funkcjonuje jeszcze podział na tak zwane pasma radarowe.
Fale ultrakrótkie rozchodzą się w zasadzie prostoliniowo, podobnie jak światło widzialne. Podlegają one odbiciu od obiektów o dużej gęstości, oraz rozpraszaniu i tłumieniu w atmosferze i innych ośrodkach.
Gdyby stwierdzenie takie było w stu procentach ścisłe ich zasięg powinien ograniczać się do horyzontu optycznego. W rzeczywistości zasięg fal ultrakrótkich jest większy dzięki refrakcji troposferycznej, dyfrakcji, czyli załamaniu toru fali na krawędzi horyzontu czy wzniesień i budynków, no i niekiedy dzięki odbiciom od śladów meteorytów w atmosferze. Natężenie pola dla fal tego zakresu zależy od bardzo wielu czynników [częstotliwość, polaryzacja fali, wysokość zawieszenia anten, parametry elektryczne gruntu].


Na zdjęciu wykonanym 31 lipca przez astronautę z pokładu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) widać, jak nad powierzchnią Ziemi układają się kolejne warstwy atmosfery. Najbliższa powierzchni Ziemi, pomarańczowo-czerwona warstwa to troposfera. Na jej granicy jasnobrązowa linia to tropopauza. Mlecznobiała przechodząca w szarość sfera to stratosfera, w której znaleźć mogły się również obłoki srebrzyste. Wysokie warstwy - mezosfera, termosfera i egzosfera mienią się odcieniami błękitu przechodzącymi stopniowo w granat, aż do czerni przestrzeni kosmicznej.

Wykorzystano m.in. artykuł "Rozchodzenie się fal radiowych". Autor Jacek Tomczak - Janowski.

Brak komentarzy. Może czas dodać swój?

Zaloguj się, aby móc dodać komentarz.