Классификация по международному регламенту радиосвязи определяет диапазон ОВЧ как метровые волны 10 м -1 м и очень высокие частоты — от 30 до 300 МГц. Метровые волны распространяются, в основном, в пределах прямой видимости. Напряженность поля волн убывает с увеличением расстояния от передающей антенны. У границы зоны прямой видимости возникают колебания уровня напряженности поля из-за огибания поверхности земли (явление дифракции) и искривление траектории волн за счет преломления в атмосфере (явление рефракции). Ввиду отражения от поверхности земли и преломления, обусловленного неоднородным строением атмосферы, в точку приема приходят две или более волн со случайными фазами и амплитудами. На распространение метровых влияют метеорологические условия (температура, влажность, давление и т. д.), рельеф местности и многое другое.
Поскольку относительная диэлектрическая проницаемость воздуха в атмосфере убывает с высотой, траектория радиоволны получается искривленной, причем степень искривления зависит от характера изменения электрических свойств атмосферы. С учетом рефракции дальность радиовидимости увеличивается примерно на 15% по сравнению с оптической (прямой видимостью) и определяется формулой:
r = 4, 12 (H*0,5+h*0,5) (1)
где r- расстояние радиовидимости, км;
Н- высота установки передающей антенны, м;
h — высота установки приемной антенны, м.
Следовательно, при увеличении высоты подвеса антенн дальность радиовидимости увеличивается.
Короткие волны могут распространяться как земными, так и ионосферными лучами. При этом поглощение энергии радиоволн в земной поверхности возрастает с увеличением частоты, тогда как поглощение в ионосфере с ростом частоты уменьшается. Поэтому основным видом практически применяемого распространения коротких волн следует считать ионосферное распространение. Вдоль земной поверхности короткие волны распространяются на небольшие расстояния. При мощности передатчика в десятки и даже в сотни ватт дальность связи земными лучами не превосходит десятков километров, особенно для верхней половины коротковолнового диапазона (50-10 м).
Рис.1.
Распространение пространственных коротких волн:
а — при одном «скачке»; б — при двух «скачках»
Радиопередача на коротких волнах ионосферными лучами является экономичным способом дальней радиопередачи. В нормальных условиях состояния ионосферы для отражения лучей коротких волн основным оказывается слой F, а лежащие ниже его слои E и D создают вредное поглощение энергии коротких волн. Такое прохождение коротких волн показано на рис. 1а. На рис. 1б изображается возможность увеличения дальности коротковолновой связи путем «двух скачков», т.е. двукратного отражения от ионосферы (с однократным отражением от Земли). Дальность такой связи определяется углом, под которым волны падают на границу ионосферы (и отражаются от нее). Чем больше угол падения, тем больше дальность «скачка». Экономичность же связи достигается благодаря тому, что при правильном выборе длины волны поглощение энергии в слоях ионосферы на коротких волнах незначительно. Потому в пунктах возвращения отраженных волн к Земле напряженность их поля может оказаться достаточной для приема даже при сравнительно небольшой мощности передатчика.
На рис. 2 изображаются лучи распространения короткой волны, частота которой выше критической частоты слоя ионосферы. Крутизна падения оценивается не углом падения , а углом возвышения , который образован между лучом волн и касательной прямой к поверхности Земли в пункте излучения.
Рис.2. Распространение волн при излучении под разными углами.
При крутом падении ( ) волны проходят сквозь ионосферу в Космос. При некотором угле (критический угол для данной степени ионизации слоя и для данной частоты радиоволн) происходит полное внутреннее отражение и луч направляется в ионосфере параллельно земной поверхности. При углах, меньших критического, лучи возвращаются к Земле и тем дальше от пункта излучения, чем меньше угол . При излучении касательно к Земле достигается наибольшая дальность «скачка», составляющая приблизительно 4000 км.
Необходимая дальность связи определяет собой угол , под которым антенна должна излучать максимум энергии. Зная высоту отражающего слоя, легко определить этот угол простым геометрическим построением. Для того чтобы получить в намеченном пункте приема достаточную напряженность поля ионосферных коротких волн, необходимо выполнить следующие два условия прохождения этих волн:
1)выбрать такую частоту (длину волны) ниже максимального значения, еще отражаемого данным слоем при требуемом угле возвышения;
2) энергия волн этой частоты не должна поглощаться чрезмерно при двукратном прохождении (вверх и вниз) через слои E и D (поглощение уменьшается с ростом частоты).
Днем для дальних связей применяются наиболее короткие волны этого диапазона (примерно от 10 до 25 м); такие волны при малом угле возвышения способны отражаться от слоя F. Ночью для дальних связей используется нижняя часть коротковолнового диапазона (приблизительно от 35 до 100 м), так как при уменьшении ионизации слоя F более короткие волны от него не отразились бы даже при пологом падении. Потери же в нижних слоях ионосферы ночью не опасны, ибо слой D отсутствует, а ионизация слоя E сильно уменьшается.
Таким образом экономичность дальней коротковолновой связи получается за счет эксплуатационных осложнений в виде необходимости сменять волну радиостанций несколько раз в сутки, и притом в нужные часы.
Не менее вредное явление для коротковолновой связи представляют собой замирания, которые на коротких волнах бывают более глубокими и следуют друг за другом более часто, нежели на средних волнах. Физическая сущность замираний — интерференция волн, доходящих до пункта приема разными путями и с изменяющимися во времени фазовыми сдвигами. Может быть интерференция и между пучками волн, излученных передатчиком под разными углами и взаимно перекрывающихся в пункте приема. Кроме того, существует особый вид замираний, называемых поляризационными.
Дополнительные помехи при дальнем коротковолновом приеме может создать радиоэхо. При обходе сигналов вокруг земного шара путем многократного отражения коротких волн поглощение энергии столь мало, что возможен вторичный прием одного и того же сигнала. Такое «прямое кругосветное эхо» наблюдается через 0,13 с после приема основного сигнала. При радиотелеграфном приеме эхо способно исказить текст, при фототелеграфе — испортить изображение, а при радиотелефонии — создать длительную реверберацию.
Возможно также «обратное кругосветное эхо», т.е. вторичный прием сигнала, обогнувшего Землю в направлении, обратном основному направлению связи (рис. 3). Однако направленность действия передающей и приемной антенн может исключить обратное кругосветное эхо.
Рис.3. Схема обратного кругосветного радиоэха.
Коротковолновая связь в полярных областях (в радиусе 2000-3000 км от полюсов) нередко нарушается ионосферными возмущениями, происходящими преимущественно в слое F. Они вызывают нерегулярное уменьшение ионизации слоя и даже полное его исчезновение на время до нескольких часов. Возможно и появление дополнительных слоев, и изменение высоты слоя F. Все эти явления резко ослабляют напряженность поля сигнала.
Для повышения надежности коротковолновой связи в полярных районах передатчики рекомендуется строить с большим запасом мощности, с высокой направленностью антенн, а прием сигнала осуществлять одновременно на два приемника с разнесенными на местности антеннами. Разумеется, длинноволновые и ультракоротковолновые линии связи, если имеется возможность их создать, более надежны для полярных районов, нежели коротковолновые.
Условия коротковолновой связи также подвергаются существенным изменениям по фазам 11-летнего периода солнечной активности.
При организации коротковолновой связи необходимо учитывать, что между зонами приема поверхностных и пространственных волн может наблюдаться зона молчания. Для передатчика, антенна которого имеет равномерное излучение в горизонтальной плоскости, это явление представлено в плане на рис. 4: Зона молчания имеет вид кольцевой площади, разделяющей зоны слышимости. Границы этого пояса определяются минимальной напряженностью поля, еще обеспечивающей прием на фоне помех.
Рис.4. Внутренний (r) и внешний ( ) радиусы зоны молчания.