Propagacja fal radiowych

Warunki rozchodzenia się fal elektromagnetycznych.
W ośrodku jednorodnym fale elektromagnetyczne rozprzestrzeniają się prostolinijnie. Przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego, fale radiowe odbijają się i załamują. Na granicy dwóch różnorodnych pod względem właściwości elektrycznych ośrodków, przy odbiciu fal radiowych kąt padania jest równy kątowi odbicia tj.:

f1 = f2

Przy załamaniu fal elektromagnetycznych, kąt padania i kąt załamania są związane między sobą następującym równaniem:

n1 * sin f1 = n2 * sin f2

gdzie n1 i n2 - współczynniki załamania dwóch ośrodków.

Jeżeli fale na swojej drodze napotykają przeszkodę, to starają się ją obejść. Proces omijania
nazywa się dyfrakcją. Dłuższe fale są w stanie omijać przeszkody dużych rozmiarów. W niejednorodnym ośrodku fale rozprzestrzeniają się po torach krzywoliniowych (zjawisko refrakcji).
Dla efektywnego wykorzystania aparatury nadawczej i odbiorczej oraz zabezpieczenia pewnej łączności radiowej, należy wziąć pod uwagę właściwości środowiska między anteną nadawczą i odbiorczą oraz oddziaływanie rozchodzących się fal elektromagnetycznych.
W pewnym przybliżeniu powierzchnia ziemi może być przyjęta za idealny przewodnik dla fal długich, średnich, pośrednich i krótkich, oraz za idealny dielektryk dla fal ultrakrótkich (l < 10 m.). Tym samym oddziaływanie ziemi na emisję energii można zamiennie przedstawić działaniem lustra odbijającego energię z anteny.
Przewodność gruntu wywołuje pochłanianie i odbicie fal, co powoduje, że obiegają one krzywiznę powierzchni ziemi.
Pochłanianie energii w ziemi rośnie ze wzrostem częstotliwości drgań elektromagnetycznych.
Dolną warstwę atmosfery można uznać w przybliżeniu za dielektryk bez strat. W górnych warstwach atmosfery pod działaniem promieni ultrafioletowych emitowanych przez Słońce, zachodzi proces rozszczepienia atomów gazu na dodatnie jony i elektrony. Dlatego tą część atmosfery przyjęto nazywać jonosferą. Stopień jonizacji charakteryzuje się koncentracją elektronową, tj. ilością swobodnych elektronów w 1 m3 .
Rezultaty pomiarów koncentracji elektronowej na różnych wysokościach pokazały, że na pewnych wysokościach gęstość jonizacji osiąga największe wartości.
Rozróżnia się cztery warstwy jonizacyjne, które przyjęto odpowiednio nazywać: D, E, F1 i F2. Warstwa D znajduje się na wysokości rzędu 60-80 km, warstwa E na wysokości 110-130 km, Warstwa F1 na wysokości 180-240 km i warstwa F2 na wysokości 250-400 km .
Stopień jonizacji górnych warstw atmosfery zależy od pory dnia i roku oraz od szerokości geograficznej miejscowości. Koncentracja elektronów N w dzień jest większa niż w nocy, a latem większa niż zimą. Warstwa F1 ujawnia się tylko latem w czasie dnia i dlatego nieznacznie oddziałuje na proces rozchodzenia się energii elektromagnetycznej. Z nastaniem nocy znika warstwa D, a koncentracja elektronowa w warstwie E i F2 zmniejsza się. Gęstość jonizacji zmniejsza się ze zwiększeniem szerokości geograficznej.
W wyniku dużej jonizacji, jonosfera posiada właściwości ośrodka półprzewodzącego, fale rozchodzące się w zjonizowanym ośrodku doprowadzają do ruchu drgającego znajdujące się w jonosferze elektrony swobodne.
Elektrony zderzają się przy drganiach z neutralnymi molekułami i przekazują im energię otrzymaną od fal radiowych.
Tak przedstawia się proces rozchodzenia się fal w zjonizowanej warstwie atmosfery,
związany z pochłanianiem energii.

Współczynnik pochłaniania określa wzór:

b = A1 * (N * v / f2)

Im jest większa koncentracja elektronów N i im jest większa liczba zderzających się elektronów z neutralnymi molekułami w ciągu jednej sekundy v, tym współczynnik pochłaniania jest większy. Ze zwiększeniem częstotliwości f współczynnik pochłaniania zmniejsza się.

Wskaźnik załamania ośrodka jonizacyjnego:

         ________________
n2 =Ö 1-A2 * ( N / f2)

Zależy on od koncentracji elektronów i od częstotliwości drgań.
Im jest większa koncentracja elektronów N, tym mniejszy wskaźnik załamania zjonizowanej warstwy 2.

Uwzględniając, że wskaźnik załamania niezjonizowanego powietrza n1=1, znajdujemy:

sin f1 = n2 sin f2

Energia elektromagnetyczna promieniująca pod pewnym kątem do horyzontu, byłaby tracona gdyby górna część atmosfery nie była zjonizowana.

Częstotliwość krytyczna:

         ________
fkr=ÖA2 * N

Jeżeli częstotliwość drgań f jest mniejsza od częstotliwości krytycznej, to silnie zjonizowana warstwa odbija energię elektromagnetyczną. Zachowując tym samym energię w obrębie ziemi. Jeżeli częstotliwość drgań f > fkr , to fale nie będą odbijać się od zjonizowanej warstwy atmosfery.
Im większa częstotliwość drgań tym mniejszy powinien być kąt a= (p/2) - j1 miedzy kierunkiem rozchodzenia się fali i horyzontem aby otrzymać fale odbite od jonosfery. Przy niezmienionej częstotliwości drgań f , do otrzymania fal odbitych jest konieczne , żeby kąt a był mniejszy od pewnego kąta krytycznego akr. Fale ultrakrótkie (l<10m.) nie odbiją się od zjonizowanej warstwy atmosfery. Aktywność słoneczna wywołująca jonizację górnych
warstw atmosfery, zmienia się okresowo. Długość okresu wynosi w przybliżeniu 11 lat.
Obecnie mamy maksimum aktywności słonecznej. Natężenie pola w zakresie fal długich i średnich wzrasta w roku maksymalnej aktywności słonecznej w przybliżeniu dwa razy.
Oddziaływanie plam słonecznych na rozchodzenie się fal krótkich jest następujące: w latach maksimum aktywności słonecznej, najdogodniejsze fale do dalekich łączności przesuwają się w stronę fal krótszych w przybliżeniu 5 do 6 m., a natężenie pola w miejscu odbioru zwiększa się. Energia elektromagnetyczna, promieniująca z anteny nadawczej, rozchodzi się częściowo wzdłuż powierzchni ziemi i częściowo w kierunkach tworzących pewien kąt z horyzontem. Fale rozchodzące się wzdłuż powierzchni ziemi, przyjęto nazywać falami powierzchniowymi.
Fale rozchodzące się w górnych warstwach atmosfery lub odbite od jonosfery, nazywa się falami przestrzennymi. Warunki rozchodzenia się energii zależą od długości fali. Fala powierzchniowa zanika tym silniej, im jest krótsza. Zjonizowana warstwa pochłania falę przestrzenną tym silniej im jest ona dłuższa. Uwzględniając własności ośrodka, w którym zachodzi proces rozchodzenia się energii elektromagnetycznej, można obrazowo wyjaśnić zagadnienie rozchodzenia się fal rożnych zakresów. Fale długie dobrze odbijają się od jonosfery i od powierzchni ziemi, dlatego przy łączności radiowej na falach długich na znaczne odległości (kilkaset kilometrów) podstawową falą okazuje się fala przestrzenna. W związku z dużym pochłanianiem przy odbiciu od jonosfery (w dzień od warstwy D i nocą od warstwy E) do łączności radiowej na falach długich na duże odległości, konieczne są silne nadajniki. Zakres fal długich posiada stabilne warunki rozchodzenia się energii elektromagnetycznej. Na falach z zakresu l= 200 do 2000m. w dzień energia przekazywana jest głównie falami powierzchniowymi, fale przestrzenne przy odbiciu od jonosfery doznają silnego pochłaniania. W nocy wraz ze zmniejszeniem się koncentracji elektronowej, fala przestrzenna zmniejsza swoje natężenie w miejscu odbioru. W zakresie fal średnich czasami fale powierzchniowe i przestrzenne tworzą w punkcie odbioru pola jednakowej intensywności. W tym przypadku zachodzi złożenie (interferencja) pól obu fal. Tak jak wysokość warstwy zjonizowanej zmienia się w zależności od aktywności słonecznej, to różnica długości dróg przyziemnej i przestrzennej fali zmienia się z biegiem czasu.
Będzie zmieniać się także przesuniecie faz między natężeniem pola tworzącymi te fale. W chwilach czasu, kiedy przesunięcie faz staje się równe 180 stopni, sumaryczne pole będzie równe zeru i łączność radiowa przerwie się. W ten sposób, wskutek interferencji pól obu fal natężenie pola w punkcie odbioru jest niestałe. Te drgania pola doprowadzające do chwilowego przerwania odbioru sygnału, przyjęto nazywać zamieraniem. Im dłuższa fala tym mniejsze zamieranie. Do usunięcia zjawiska zamierania na falach średnich wykorzystuje się tzw. nadawcze anteny antyzanikowe. Anteną antyzanikową nazywa się antenę promieniującą dużą część mocy we wszystkich kierunkach leżących w płaszczyźnie horyzontalnej i nieznaczną część wzdłuż kierunków tworzących kąty z płaszczyzną horyzontalną. Innymi słowy antena antyzanikowa tworzy silną falę powierzchniową i słabą przestrzenną. Fale zakresu krótkofalowego (l= 10 do 50 m.) mają tendencję do silnego zanikania, przy rozchodzeniu się wzdłuż powierzchni ziemi, zanikają w odległości kilkudziesięciu kilometrów. Fale przestrzenne bardzo słabo zanikają, przy przechodzeniu przez jonosferę, odbijają się z powrotem do ziemi i tym samym mogą być wykorzystywane do łączności na odległości setek i tysięcy kilometrów. Falom krótkim także towarzyszy zjawisko zanikania. Powstaje ono wskutek zmian faz oddzielnych promieni fali przestrzennej przy drganiach wysokości warstwy zjonizowanej. Osłabienie tłumienia może być dokonane przy zastosowaniu anteny z ostrą kierunkowością w płaszczyźnie pionowej. Fale ultrakrótkie (l< 10) nie odbijają się od jonosfery a fala powierzchniowa bardzo intensywnie zanika, tworząc praktycznie dostateczne pole tylko w granicach widoczności horyzontalnej.