Простые приёмники АМ сигналов

Пространственные волны

Пока шла война за распределение частот на длинных и средних волнах, короткими никто не интересовался: они считались просто непригодными для дальней связи и за ненадобностью были отданы радиолюбителям. А такие уже были в начале 20-х гг., ведь и радиосвязь, и наблюдение за сигналами станций - это очень интересно! От коротковолновиков стали поступать сенсационные сообщения: с помощью простейших передатчиков мощностью в несколько ватт и примитивных приемников устанавливались связи на десятки тысяч километров!

Такой феномен уже совсем нельзя объяснить дифракцией. Тут-то и вспомнили гипотезу Кеннели-Хевисайда: верхние слои атмосферы должны быть ионизированы солнечным излучением. Ионизированный газ (ионосфера) содержит много свободных электронов и может проводить электрический ток, а значит, должен отражать радиоволны. Скорые на подъем американцы построили импульсный передатчик, и в 1924 г. инженеры Брейт и Тьюв получили отражение от ионосферы при вертикальном зондировании и измерили время запаздывания отраженного импульса, а по нему вычислили высоту отражающего слоя.

Ионосфера долгое время называлась слоем Хевисайда. Позднее Эпплтон, анализируя отраженные сигналы, обнаружил, что отражающих слоев несколько. Ему же мы обязаны и названиями слоев. В своих расчетах он обозначил вектор напряженности электрического поля, как это обычно и делается, буквой Е. Когда же понадобилось обозначить поле другого отражения, он выбрал следующую букву алфавита - F. Убедившись, что отражения идут от разных слоев, он решил, что и названия им готовы - Е и F, при этом имея в виду, что в дальнейшем могут быть открыты и другие слои, для которых пригодятся и предыдущие, и последующие буквы алфавита.

Это предвидение вполне оправдалось. Теперь известно, что в летний полдень можно наблюдать по крайней мере четыре четко различимых слоя. Самый нижний D, находящийся на высоте около 70 км, существует только днем. Слой Е на высоте 90-120 км существует круглосуточно, лишь ночью в нем уменьшается электронная концентрация (Солнце-то, причина ионизации, не светит!) и увеличивается высота. То же, но в меньшей степени, происходит и со слоем F, но он расположен значительно выше - 200-250 км. Днем он распадается на два слоя - F1 и F2.

Ионизированные слои ионосферы отражают далеко не все радиоволны. Чем ниже частота, тем сильнее поглощение радиоволн в ионосфере, оно пропорционально 1/f2 и может быть столь значительным, что отраженный сигнал вообще не удается обнаружить. Значит, чем выше частота (короче длина волны), тем отражение лучше? Именно по этой причине радиолюбителям удавались и удаются сверхдальние радиосвязи на КВ. Но до определенного предела! Для каждого слоя существует критическая частота fкр, до которой он отражает вертикально посланные радиоволны (рис. 1.19).

Отражение радиоволн от ионосферы

При пологом падении волны на слой отражаются волны и с большими частотами, но опять же до некоторого предела. Если радиопередатчик посылает волну касательно к поверхности Земли, то есть к горизонту, то можно определить МПЧ - максимально применимую частоту, выше которой ионизированный слой становится прозрачным, перестает отражать, и радиоволны беспрепятственно уходят в космос.

Ультракороткие волны, например, ионосферой не отражаются: их частоты лежат выше МПЧ. Поэтому-то на УКВ московские радиостанции (любимой многими FM) слышны только в самой Москве и области, да и то далеко не всей. УКВ распространяются только в пределах прямой видимости, ну и еще совсем чуть-чуть за горизонт. Чтобы расширить зону действия УКВ радиостанций, их антенны помещают на высоченных мачтах (вспомните Останкинскую). Телецентры вещают тоже на УКВ, и для них все это так же верно.

МПЧ сильно зависит от времени суток, времени года и солнечной активности. В период «возмущенного» состояния Солнца с его поверхности извергаются потоки заряженных частиц, возрастает и поток ультрафиолетового излучения. На эти вспышки реагирует все живое на Земле: изменяется биологическая активность клеток, наблюдаются обострения заболеваний, вспышки эпидемий, активизируются общественные процессы (войны, революции и т.д.). Открыл эту взаимосвязь наш соотечественник - профессор Л. А. Чижевский. Не зря же медики говорят, что во время вспышек на Солнце загорать вредно. Увеличение солнечной активности приводит к возрастанию концентрации электронов в ионосфере Земли и к повышению МПЧ.

Максимумы солнечной активности соответствуют 11-летнему циклу - последний был в 1992 г., а следующий попадает на 2003-й. Любопытно, что во время сильного максимума 1958-59 гг. МПЧ иногда достигала частот первого телевизионного канала - и у нас в Подмосковье видели (и сфотографировали) изображения, передаваемые итальянскими телецентрами, а в Голландии чуть было не поднялась паника, когда с экранов телевизоров картинка местного телецентра вдруг была вытеснена изображением Кремля! Но такие случаи редки и длятся обычно недолго. Гораздо чаще МПЧ «гуляет» где-то в середине коротковолнового диапазона, сильно понижаясь ночью и зимой и возрастая в летние дни.

Итак, мы подошли к выводу: дальние радиостанции лучше всего слушать на частотах, несколько ниже МПЧ, когда отражение от ионосферы есть, а поглощение минимально. Каждый слой ионосферы имеет свое значение МПЧ, для слоя D, например, оно не превосходит 100-150 кГц, поэтому данный слой хорошо отражает только сверхдлинные волны. Вот, оказывается, чем объясняется успех трансатлантической связи Маркони и Флеминга!

Слой Е хорошо отражает радиоволны с частотами до нескольких мегагерц, так что длинные и средние волны могли бы от него отражаться. Они это и делают, но только ночью. Поэтому ночью так много дальних станций в СВ диапазоне. У нас слышно практически всю Европу. Дальность распространения СВ «одним скачком» определяется радиусом Земли и высотой слоя Е (около 120 км), она составляет 2,5-3 тыс. км. А днем волне, чтобы отразиться от слоя Е и вернуться снова на землю, надо дважды пройти через слой D, при этом она сильно поглощается и к радиослушателю практически ничего уже не приходит. Поэтому на СВ днем слышны только местные станции.

Короткие волны отражаются преимущественно слоем F, хотя возможны отражения и от более густых «облаков» ионизированного газа в слое Е. Их называют спорадическим слоем Е, или Es. Слой F значительно выше, и дальность распространения одним скачком достигает 5000 км. Но бывает распространение и несколькими скачками, когда радиоволна несколько раз переотражается поверхностью Земли и ионосферой. Более того, встречаются и рикошетирующие отражения, когда волна несколько раз переотражается ионосферой и лишь потом возвращается к Земле на очень большом расстоянии от передатчика.

На коротких волнах удавались радиосвязи и с антиподами, и часто слышали «кругосветное эхо», когда к передатчику приходит его собственный сигнал, обойдя вокруг Земли. Легко сосчитать время задержки эха, зная длину окружности Земли и скорость распространения радиоволн: оно составляет около 1/8 с. Неоднократно, начиная с 20-х гг., регистрировалось и эхо со значительно большей задержкой, доходящей до десятков секунд и даже минут! Его назвали LDE (Long delay echo) - эхо с большой задержкой. Сейчас его обнаружить значительно труднее: KB эфир перенаселен всевозможными радиостанциями, да и уровень индустриальных помех все растет. Никакого вразумительного объяснения LDE наука пока не предложила.

Чтобы отразиться от слоя F, у которого МПЧ выше, волне надо дважды пройти сквозь слой Е, а днем еще и через слой D, и при этом неизбежно поглощение. Оно тем больше, чем ниже частота и чем длиннее волна, поэтому, кроме максимально применимой частоты (МПЧ), иногда вводят еще и термин «наинизшая применимая частота», или НПЧ, для обозначения частоты, ниже которой дальнее распространение радиоволн уже практически невозможно из-за поглощения. Таким образом, для дальнего радиоприема годятся не все короткие волны, а лишь определенный диапазон между НПЧ и МПЧ; чем частота ближе к МПЧ, тем дальше и с меньшими потерями распространяются радиоволны.

Читать дальше - Что и когда слышно?