Сверхдальние передачи на ультракоротких радиоволнах (Инженер-майор В. Кузнецов, кандидат технических наук)

Примерно до 30-х годов считали, что ультракороткие волны распространяются прямолинейно, подобно световым лучам, и не могут огибать поверхность земли, как более длинные волны длиной в сотни и тысячи метров. Кроме того, считалось, что они не отражаются высоко расположенными, ионизированными слоями атмосферы, а пронизывают их и уходят в мировое пространство. Отсюда делался вывод, что дальность действия ультракоротковолновой радиостанции ограничена пределами "прямой видимости" - до линии горизонта - и для ее увеличения передающие и приемные антенны радиостанций стремились поднять на значительную высоту.

Однако по мере накопления опытных данных взгляд на распространение ультракоротких волн менялся. Оказалось, что при определенных условиях эти волны могут обеспечить дальность передачи, значительно превышающую дальность "прямой видимости".

Возьмем, к примеру, телевизионное вещание на ультракоротких волнах. В Москве и Ленинграде изображение передается на волне 6,03 м, звуковое сопровождение - на волне 5,33 м. Если предположить, что ультракороткие волны распространяются прямолинейно, то дальность приема передач Московского телевизионного центра, антенна которого установлена на высоте 150 м, при высоте приемных антенн 10-20 м должна составлять не более 60 км. Тем не менее сразу же после пуска Московского телецентра стали поступать сообщения о приеме передач в городах Александрове (105 км), Калинине (160 км), Владимире (180 км), Туле (180 км), Рязани (190 км) и других пунктах. Правда, прием был не всегда одинаково устойчивый.

В настоящее время телевизионные передачи Москвы принимают в Ярославле и Иваново (расстояние около 250 км), Шерабкове (около 300 км) и других пунктах. В Харькове почти регулярно принимается звуковое сопровождение передач Киевского телевизионного центра (расстояние более 400 км). Между прочим, если считать, что ультракороткие волны распространяются прямолинейно, то для приема телевизионных передач, например, в Ярославле пришлось бы устанавливать там приемную антенну на высоте более 3000 м, в то время как в действительности прием идет при подъеме антенны всего лишь на несколько десятков метров.

Известны также случаи "сверхдальнего" приема передач Московского телецентра на расстояниях 1000-2000 км и более. Так, телевизионная программа Москвы неоднократно просматривалась в Германии, Бельгии, Голландии. Передачи Московского, Ленинградского и Киевского телецентров принимались в Чехословакии (расстояние более 1500 км). В свою очередь передачи из Чехословакии (Пражский телецентр) принимались в мае - сентябре 1954 г. под Москвой: в Рязани (зарегистрировано 12 случаев), в Угличе и Ступино. Иногда "сверхдальние" сигналы были настолько сильными, что "забивали" одновременную передачу ближайшего телецентра. Известен и такой случай, когда ленинградский радиолюбитель на своем телевизоре наблюдал передачу из Англии.

Во время наблюдений за распространением ультракоротких волн в США, проводившихся на волнах 3,41-5,55 м, из 441 зарегистрированного случая дальнего приема в 28 указывалось расстояние до 800 км, в 413 - более 800 км. Нередко дальность достигала 1600 км. С укорочением волн до 1,39-1,73 м в большинстве случаев дальность приема хотя и была большой, однако не превышала 800 км.

По данным зарубежной печати, интересные примеры сверхдальних приемов наблюдались на юге Швеции в городе Скилингарнд. На фабричный телевизор с антенной в виде простого диполя 1 июня 1954 г. была принята передача из Советского Союза. После этого на более сложную антенну удалось обеспечить прием телевизионных программ из СССР, Чехословакии, Италии, Швейцарии, Германии, Дании и Голландии.

При приеме программ телевизионных центров, передатчики сигналов изображения которых работали на частотах 48,25, 49,75 и 55,25 Мгц, хорошие результаты были достигнуты с более простыми антеннами, а для приема сигналов изображения телевизионных центров, работающих на частоте 62,25 Мгц, была применена 8-элементная антенна, установленная на 12-метровой мачте на крыше дома (всего в 20 м над землей). С помощью механической системы антенну можно поворачивать в любом направлении.

Наблюдениями установлено, что прием телевизионных программ в 1955 г. был несколько хуже, чем в 1954 г. В 1955 г. наиболее надежно принимались советские и итальянские телевизионные центры. Удачным, например, был день 22 мая 1955 г., когда передача итальянского телецентра Монте Пениче принималась в Швеции как местная программа.

Если бы случаи передачи УКВ на большие расстояния относились только к метровым волнам, то причину таких явлений можно было бы объяснить нерегулярными отражениями УКВ от ионосферы. Однако имеется множество фактов передачи УКВ на большие расстояния и при работе на более коротких волнах. Радиолокационная станция (рабочая волна 1,5 м), установленная на западном побережье Индии (г. Бомбей) на высоте 80 м над уровнем моря, для которой дальность "прямой видимости" составляла около 35 км, в жаркое время года обычно обнаруживала корабли на расстоянии до 300 км и более. В некоторых случаях отражения приходили от берегов Аравии (расстояние 1600-2700 км). Расположенная вблизи Бомбея радиолокационная станция, которая работала на волне 10 см и имела дальность "прямой видимости" около 35 км, часто обнаруживала корабли на расстояниях 160-320 км.

Радиолокационная станция, работающая на той же волне и установленная на южном берегу Англии, при дальности "прямой видимости" 64 км в теплую устойчивую погоду получала отражения от наземных объектов, находящихся на расстоянии до 270 км.

Приведенные примеры не исчерпывают всех известных случаев дальнего и сверхдальнего приемов метровых, дециметровых и сантиметровых радиоволн, но убедительно показывают, что передача УКВ на очень большие расстояния не случайна и было бы неправильно не использовать открывающихся в связи с этим возможностей.

Чем же объясняется распространение УКВ на большие расстояния? Прежде всего, надо иметь в виду, что как свет, так и радиоволны распространяются прямолинейно только в однородной среде. Но земная поверхность, между различными пунктами которой передаются сигналы с помощью радиоволн, окружена тысячекилометровой воздушной оболочкой - атмосферой. Атмосфера, в особенности ее нижние слои высотой до 10 км, не является однородной средой. С высотой изменяются влажность, давление и температура воздуха. В связи с этим радиоволны при своем распространении преломляются. Это явление называется рефракцией.

Известно, что с уменьшением плотности среды скорость распространения радиоволн увеличивается. Поэтому приподнятые над землей участки фронта волны распространяются с большей скоростью, чем участки, расположенные вблизи земли. За счет опережения одних участков фронта волны другими (при распространении в неоднородной атмосфере) получается постепенный наклон фронта волны по отношению к земной поверхности, что и приводит к огибанию радиоволнами кривизны земной поверхности. Ясно, что рефракция будет зависеть от метеорологических условий в нижних слоях атмосферы, так как характер изменения с высотой давления, влажности и температуры определяет разницу в скорости распространения различных участков фронта волны, и преломление будет более сильным или более слабым.

Сильная рефракция, приводящая к значительному увеличению дальности передачи УКВ, может наблюдаться очень часто как летом, так и зимой. Более характерна она для вечернего времени и хорошей погоды. С заходом солнца земная поверхность излучает тепло в окружающую атмосферу и охлаждается. Температура воздуха у поверхности земли начинает быстро падать, тогда как на некоторой высоте температура уменьшается незначительно, а иногда - при инверсиях - увеличивается. Кроме того, с заходом солнца ослабляется процесс испарения влаги с поверхности земли. Более резкое убывание влажности с высотой при незначительном падении (а иногда и возрастании) температуры приводит к быстрому изменению скорости распространения радиоволн с высотой, вследствие чего рефракция становится более сильной. В этих условиях возможна передача ультракоротких волн на большие расстояния. В дождливую, облачную и ветреную погоду происходит довольно сильное перемешивание нижних слоев атмосферы и скорость распространения с высотой меняется незначительно. Это ослабляет рефракцию и уменьшает дальность передач.

При очень резком изменении скорости распространения радиоволн с высотой энергия радиоволн, излученная под небольшими углами к горизонту, может захватываться отдельными слоями воздуха, которые характеризуются резким падением влажности и инверсией температуры. Они образуют нечто вроде атмосферных волноводов. Поскольку в данном случае радиочастотная энергия распространяется по волноводу в условиях, до некоторой степени подобных условиям передачи звука по трубе, то дальность передачи УКВ может сильно возрасти. Атмосферные волноводы часто образуются над морем. В связи с тем, что с увеличением длины волны требуется все большая толща слоев воздуха с необходимым изменением влажности и температуры, то всегда более вероятно образование волноводов для миллиметровых и сантиметровых волн.

Приведенные выше случаи обнаружения дальних объектов радиолокационными станциями, работающими на сантиметровых волнах, по-видимому, как раз и объясняются наличием атмосферных волноводов. Хорошо развитая радиометеорологическая служба может заранее устанавливать наличие атмосферных волноводов вдоль определенных трасс, что позволит увеличить тактические возможности радиолокационных станций.

Многочисленные опыты показывают, что часто напряженность электрического поля за линией горизонта вначале, как и следует ожидать, быстро падает, но затем по мере удаления от передатчика неожиданно начинает возрастать. В чем тут дело? Причиной такого явления во многих случаях можно считать сильное преломление в приподнятых слоях воздуха с ярко выраженной инверсией температуры.

Следует подчеркнуть, что приподнятые слои инверсии могут оказать иногда и вредный эффект. Так, например, при связи между землей и самолетом, если последний находится над слоем инверсии и виден со стороны передатчика под небольшим углом возвышения, то возможно нарушение радиосвязи.

На распространение ультракоротких волн очень сильно влияют "местные" неоднородности атмосферы: наличие вихревых потоков воздуха, резкие границы теплого и холодного воздуха и т. д. Ясно, что в областях неоднородностей происходят колебания плотности воздуха, а значит, и скорости распространения радиоволн, что приводит к более или менее сильному их преломлению. Другими словами, "местные" неоднородности атмосферы вызывают частичное рассеяние радиоволн в различных направлениях, в силу чего область неоднородностей можно рассматривать как самостоятельный источник излучения. Это равносильно случаю подъема передающей антенны на сравнительно большую высоту.

"Местные" неоднородности наблюдаются на различных высотах, вплоть до 3 км и более, поэтому возможна передача энергии, перехваченной неоднородностями, далеко за горизонт. Этим часто и можно объяснить возрастание силы приема ультракоротких волн за пределами "прямой видимости".

В отличие от других факторов, обусловливающих распространение УКВ на большие расстояния, наличие "местных" неоднородностей атмосферы не зависит от метеорологических условий. Так, мерцание звезд, вызываемое неоднородностями атмосферы, можно наблюдать в самые тихие ясные ночи, когда воздушные массы кажутся вполне спокойными. Это позволяет сделать вывод, что прием УКВ за счет рассеяния в неоднородностях атмосферы должен быть регулярным. Следует только иметь в виду, что вследствие неустойчивости "местных" неоднородностей во времени и пространстве прием за линией горизонта в данном случае сопровождается более или менее сильными и частыми замираниями.

При приеме рассеянной неоднородностями радиочастотной энергии не нужно обязательно поднимать приемные антенны на большую высоту, но для обеспечения устойчивого приема важно выполнять их остронаправленными. На дециметровых и сантиметровых волнах, когда нетрудно создать остронаправленные антенны, можно обеспечить регулярную радиосвязь между пунктами, удаленными друг от друга на несколько сотен километров.

На рис. 32 показано увеличение дальности передачи ультракоротких радиоволн за счет их преломления и рассеяния "местными" неоднородностями атмосферы. В результате передачи станции 1 могут быть приняты не только в точке 2, но и в точке 3, находящейся ниже линии прямой видимости.

Рис. 32. Схема распространения ультракоротких волн на сверхдальние расстояния

А как же объяснить факты "сверхдальней" передачи на ультракоротких радиоволнах - до 2000 км и более? В настоящее время можно считать установленным, что для метровых волн причиной является отражение этих волн ионизированными слоями атмосферы, которые в нормальных условиях отражают лишь волны большей длины (короткие и средние). Обычно электронная концентрация ионосферы недостаточна для отражения радиоволн короче 10 м. Но оказывается, что ионосфера, как и нижние слои атмосферы, не является "спокойной". Так, в нижних слоях ионосферы (на высотах 80-120 км) довольно часто образуются "местные" ионосферные неоднородности, имеющие столь высокую электронную концентрацию, что возникают условия для рассеянного отражения метровых, а иногда и еще более коротких волн в сторону земной поверхности. Рассматривая центры рассеяния радиоволн в ионосфере как самостоятельные источники излучения, расположенные на огромной высоте (порядка 100 км и более), можно получить длину линии радиосвязи до нескольких тысяч километров. Однако прием на больших расстояниях вследствие влияния ионосферных неоднородностей носит нерегулярный и часто неустойчивый характер, что и подтверждается известными опытами просмотра телепередач на очень больших расстояниях.

Данные современной науки свидетельствуют о большой сложности процессов распространения ультракоротких волн. Однако в настоящее время нельзя не учитывать условия, приводящие к значительному увеличению дальности передачи на УКВ. Такие условия часто могут приводить как к повышению тактических возможностей различного рода радиоаппаратуры (повышение дальности действия радиосвязной, радионавигационной и радиолокационной аппаратуры), так и к помехам радиоприему и нарушению скрытности передачи. Овладение законами распространения ультракоротких волн имеет важное значение для развития всех отраслей радиосвязи, радионавигации, радиолокации и телевидения.