"Друг Радио", №8, июль-август, 1925 год, стр. 17-24.

Распространение электромагнитных волн.

Инж. Л. Б. Слепяна.

Еще вначале развития радиотелеграфии, как только расстояния, на которые велась передача стала доходить до нескольких сот километров, приобрел большое значение вопрос о том, какому закону подчиняется распространение электромагнитных волн, как должна уменьшаться сила приема с увеличением расстояния и с изменением длины волны. Кроме того, опыт показал значительную разницу в силе приема ночью и днем и вообще большие колебания условий приема в разное время. Замечено было также, что чем длиннее волна, тем меньше эти колебания.

Особенно большое значение указанный вопрос и явления получили с началом первых опытов по передаче через Атлантический океан. Чрезвычайно важно было установить каковы же наивыгоднейшие условия для радиопередачи на несколько тысяч километров. Этим вопросом занялся ряд выдающихся ученых и специалистов, как теоретически, так и экспериментально.

Теория показывает прежде всего, что сила приема (точнее сила поля электромагнитных волн) уменьшается пропорционально увеличению расстояния от передающей станции. Отметим, что это обстоятельство само по себе весьма выгодно для радиопередачи, так как, напр., сила освещенности убывает пропорционально квадрату расстояния от источника света, также убывает и сила звука от его источника. Причина этой разницы лежит в том, что свет распространяется равномерно во все стороны от его источника (также и звук), радиоволны же излучаются антенной преимущественно в направлении перпендикулярном к ней, т. е. не шаровыми слоями, а кольцами (см. рис. 1).

Рис. 1. Распространение волн сферическими (световых) и кольцевыми (радиоволн) слоями.

Шаровая поверхность, освещаемая источником света, увеличивается пропорционально квадрату расстояния (т. е. в 4, 9, 16, 25 и т. д. раз) и во столько же раз уменьшается освещенность каждой точки. Величина же колец электромагнитных волн, излучаемых в плоскости перпендикулярной к антенне, возрастает лишь в 2, 3, 4, 5 и т. д. раз. Во столько же раз падает и сила поля в местах приема. Это, разумеется выгоднее, чем при рассеянии во все стороны.

Если желают лучше осветить удаленные точки, то лучам света не дают рассеяться, а собирают их в пучок и посылают лишь в направлении желаемых точек, как напр., при применении прожектора. В этом случае сила освещения падает с расстоянием значительно медленнее. Но освещенность все же убывает здесь в силу того, что остается некоторое боковое рассеяние света и вследствие поглощения энергии воздухом и вообще промежуточной средой.

В радиотехнике собрать волны в пучок и направить его в желательном направлении значительно труднее, чем для видимого света, так как радиоволны измеряются десятками, сотнями и даже тысячами метров, а световые волны не достигают и тысячных долей миллиметра. Лишь в последнее время, работая волнами в несколько метров или десятков метров, Маркони с целью получения направленной радиопередачи осуществил для радиоволн нечто, сходное с прожектором видимых световых лучей. Но помимо трудности применить к радиоволнам метод прожектора, мы сталкиваемся здесь еще с новыми обстоятельствами. В то время как освещение удаленных предметов помощью прожекторов производится лишь на несколько километров или десятков километров, эти расстояния для радиопередачи не представляют интереса. Она стремится работать на сотни и тысячи километров. Но в этом случае возникает вопрос о том, каким образом может огибаться выпуклость поверхности земли. Для световых лучей прожектора это вообще невозможно.

Велико было первоначально удивление всех ученых, когда Маркони впервые доказал опытом передачи радиосигналов через Атлантический океан, что это огибание земли не только возможно, но в действительности и происходит при помощи радиоволн. Наша первоначальная картина распространения электромагнитных волн (рис. 1), в которой мы изображали волны кольцами, распространяющимися перпендикулярно к антенне, для больших расстояний усложняется. Кольца эти начинают потом загибаться и вверх и вниз, причем последние огибают земную поверхность (см. рис. 2). Но при такой картине и закон убывания силы электромагнитных волн будет не тот, какой указан выше, волны будут ослабевать не пропорционально расстоянию от антенны, а очевидно быстрее, так как они начинают рассеиваться.

Этот закон распространения волн с учетом кривизны поверхности земли исследовался многими выдающимися учеными. Кроме того, несколько специалистов, преимущественно американцы, произвели обширные экспериментальные испытания для определения того, как убывает сила приема с расстоянием. Оказалось, что опыты дали результаты несогласные с теорией. В общем теория приводила к значительно меньшим величинам, чем это показывал опыт, даже при наименее благоприятных условиях приема.

Рис. 2. Распространение и рассеяние радиоволн огибающих выпуклость земли.

Многочисленные наблюдения показали, что на значительных расстояниях сила приема подвергнется большим колебаниям, особенно при более коротких волнах. Целый ряд тщательных измерений привел к выводам, что наименьшие значения силы приема получаются днем в летнее время, но эти величины более устойчивы и меньше изменяются в течение дневных часов. Наибольшие силы приема получаются ночью в зимнее время; эти величины однако нередко быстро и резко меняются, также особенно при более коротких волнах.

Так как для коммерческой связи важно установить возможность передачи депеш во всякое время, то наибольшее внимание уделено было изучению тех сил приема, какие получаются летом в дневное время. Для этих величин американским радиоинженером Аустином на основании специально организованных опытов была установлена формула для вычисления силы приема на разных расстояниях от передающей станции. Эта формула, несколько потом измененная по новым данным, замечательна следующим. В ней, разумеется, принимается во внимание мощность передающей станции, высота ее антенны и расстояние между передающей и приемной станциями. Это расстояние во первых прямо входит в знаменатель, т. е. чем оно больше, тем слабее должен быть прием. Но кроме того соотношение между расстоянием и длинй волны получае значение еще по другой причине. Сила приема убывает также благодаря рассеянию и поглощению энергии при распространении электромагниных волн. Это рассеяние и поглощение учитываются особым кооффициентом поглощения.

Собственно с точки зрения старых теорий это главным образом коэффициент рассеяния энергии, но Аустин установил его величину на основании опытов, поэтому точность его формулы не зависит от того или другого толкования ее.

Весьма интересно посмотреть, как растет поглощение с увеличением расстояния и уменьшением волны. Приводим таблицу некоторых значений коэффициента поглощения, вычисленного по формуле Аустина.

Приведенные в таблице величины коэффициента поглощения показывают во сколько раз уменьшается сила электромагнитного поля на приемной станции вследствие рассеяния и поглощения энергии электромагнитных волн. Мы видим, что это ослабление растет чрезвычайно быстро с увеличением расстояния для коротки волн, достигая вообще колоссальных значений. Для длинных волн ослабление идет значительно медленнее и даже до расстояния в 10000 километров все еще не особенно велико. Отсюда понятно, почему при постройке мощных радиостанций для постоянной коммерческой связи на больших расстояниях практика вводила все более и более длинные волны и вместе с тем повышала и мощность. Мощные радиостанции постройки или оборудования последнего десятилетия работают все длинными волнами, применяя волны до 20000 метров, а в некоторых случаях даже и больше, Мощности их доходят до 500 и даже 1000 киловатт. Разумеется, и антенные устройства соответствуют таким мощностям: высота мачт доходит до 250 метров, антенны имеют весьма большие размеры, применяются сложные и дорогие противовесы и заземляющие устройства и т. д.

При этих условиях, как показала практика, получается уже возможность держать постоянную и уверенную связь через океаны с применением быстродействующих телеграфных аппаратов. Большим преимуществом этих мощных установок является сравнительное постоянство, регулярность и устойчивость работы их. Разумеется и для этих станций заметны значительные колебания в силе приема днем и ночью, зимой и летом; действие атмосферных разрядов также весьма сильно колеблется в разное время года. Однако все же эти изменения заключены в определенных пределах и обычно не приводят к полному перерыву связи.

Таким образом первоначально наметившийся путь решения вопроса о надежной радиосвязи на больших расстояниях привел к определенному практическому решению помощью длинных волн. В настоящее время многочисленные факты, накопившиеся за последнее десятилетие, привели к необходимости пересмотреть вопрос о возможных применениях более коротких волн. Наибольшее значение при этом имел массовый материал, полученный опытами радиолюбителей. Однако еще до возникновения радиолюбительского движения был известен ряд фактов об особых случаях поразительной дальности передачи, полученных при работе сравнительно короткими волнами и при незначительных мощностях. Голландский радиоинженер Де Гроот в 1913 и 1914 г. собрал данные о целом ряде таких случаев, показывавших что волнами 300 и 500 метр., покрывались тысячи километров; он указал на случаи, когда сигналы маломощных судовых радиостанций не могли быть приняты в небольших расстояниях, но принимались за тысячи километров. На основе собранного материала Де Гроот поддерживал теорию отражения волн от слоя Хивизайда.

Работы радиолюбителей показали еще с большей очевидностью, что сделанное прежними наблюдателями заключение о непригодности коротких волн для работы на дальние расстояния — несправедливо, и распространили это положение на область столь коротких волн, какие раньше казались не имеющими никакого практического интереса ¹). Больше того, мы можем сказать, что в настоящее время работы с короткими волнами заставляют нас совершенно иначе подходить к самому пониманию явления распространения радиоволн, и в значительной мере лишали интереса старые теории и старые пути исследования этого явления.

Прежние взгляды, сложившиеся на почве работы длинными волнами, рассматривали силы приема, к которым приводила формула Аустина (т. е. наблюдавшиеся преимущественно днем и летом), как нормальные средние силы приема; силы, отмечавшиеся в отдельные моменты, считались случайными колебаниями этой нормальной величины. Теория должна была дать об'яснение именно для этих средних нормальных результатов.

Как было указано выше, теории, исходившие из простого распространения радиоволн и учитывавшие потери в земле, рассеяние при огибании земли и т. д., приводили все же к меньшим величинам для больших расстояний, чем те, какие давал опыт и формула Аустина. Но колебания силы приема и, особенно, наблюдавшееся усиление приема ночью, можно считать, совершенно не укладывалось в эти теории. Действительно, если при распространении электромагнитных волн происходит еще и поглощение их воздухом, землей и всякими препятствиями (а это несомненно имеет место) и если это поглощение подвергается колебаниям, то мы должны были бы наблюдать толко уменьшение теоретических сил приема; последние должны были бы давать наибольшие величины приема, а не наименьшие.

Но чем же об'яснить наблюдаемые нередко весьма большие силы приема? Наибольшие значения их соответствуют обычно простому кольцевому распространению электромагнитных волн, т. е. пропаданию указанного выше коэффициента поглощения в формуле Аустина, Подобные факты, установленные для коротких волн, имеют столь резкий и поразительный характер, что они с очевидностью показывают необходикость изменения старых взглядов на явление распространения электромагнитных волн. В самом деле, представим себе, что опыт показывает иногда получение сил приема, соответствующих исчезновению коэффициента поглощения. Это приводит, напр., для волн около 100 метров и для расстояния в 1000 километров к величине в 9·10²⁰ раз большей, чем это следует из теории. Очевидно, что такая теория никуда не годится.

Так как все явления, какие дополнительно могут влиять на распространение электромагнитных волн: влияние солнечного света, влажности воздуха, пыли в нем, препятствия в виде гор, земных предметов и т. п., могут лишь приводить к поглощению электромагнитных волн в большей или меньшей мере, то очевидно основное явление распространения радиоволн есть то, которое проявляется при получении наибольших сил приема, явление происходящее в наиболее благоприятных условиях. Эти наибольшие силы приема, как указано выше, соответствуют тем значениям, какие получаются в предположении простого «кольцевого» распространения электромагнитных волн, т. е. соответствуют простой обратной зависимости от расстояния до излучающей антенны.

Весьма важно подчеркнуть, что этот факт установлен различными исследователями для волн самой различной длины. Так сила приема мощных американских радиостанций (на волнах 15—18 тысяч метров) тщательно измерялась в Германии в течение нескольких месяцев. Оказалось, что наибольшие силы приема были близки к тем значениям. какие соответствовали отсутствию поглощения, наименьшие же подходили в среднем к величинам, вычисленным по формуле Аустина. Аналогичные измерения производились при опытах передачи короткими волнами (ниже 100 метр.) между Науэном и Буэнос-Айресом. Здесь также наибольшие величины соответствовали пропаданию поглощения. Подобные же результаты найдены были при измерении приема для волн 500—1000 метр. в Америке. Таким образом будет справедливо признать простое «кольцевое» распространение основным явлением распространения радиоволн, и притом всех волн как длинных, так и коротких.

Рис. 3. Распространение волн между двумя плоскостями.

Представим себе две неограниченные проводящие плоскости ММ и NN (рис. 3); пусть в некоторой точке А находится антенна, излучающая электроматнитные волны. Эти волны, ограниченные пространством между плоскостями будут очевидно распространяться кольцами все возрастающего радиуса. Следовательно, сила поля их будет с некоторого места убывать пропорционально расстоянию от антенны.

Очевидно, результат не изменится, если обе поверхности свернуть в две концентрические сферы (см. рис. 4). И в этом случае вполне понятно убывание силы поля распространяющихся электромагнитных волн пропорционально расстоянию от передающей антенны. Кроме того, не вызывает вопроса возможность распространения волн вдоль шаровой поверхности.

Рис. 4. Распространение радиоволн между землей и слоем Хивизайда.

Но представленная картина есть картина земной поверхности, окруженной некоторым проводящим слоем (слой Хивизайда), так что образуется сферическое кольцевое пространство, в котором распространяются радиоволны. Это есть основное явление. Оно осложняется действием многих привходящих обстоятельств. Во-первых высота изображенного слоя едва ли постоянна; она меняется в течение суток, в зависимости от времени года, состояния солнца и т. д. Затем пространство между обоими поверхностями, атмосфера, не всегда одинакова; его состояние также зависит от времени дня, года, метеорологических и других условий. Даже состояние земной поверхности не всюду одинаково (моря и суша, реки, горы и т.п.) и изменяется в зависимости от разных обстоятельств (дождь, снег, засуха и т. п.). Все эти колебания, изменяя условия распространения, поглощения и рассеяния волн, должны изменять основное явление и давать сильные колебания приема, ослабляя его в различной степени. Эти причины будут действовать неодинаково при различных волнах.

Таким образом, мы видим основное явление распространения электромагнитных волн в их кольцевом распространении между слоем Хивизайда и земной поверхностью. Это предположение не есть какое-либо новое предположение. Соответствующая теория была высказана Хивизайдом и затем развита английским радиоинженером Иккльвом еще более 10 лет тому назад. Но до последнего времени эта теория не имела большого числа приверженцев и казалась лишь возможной. Теперь же после переворота в представлениях, вызванного данными о коротких волнах, эта теория вытесняет старые представления. Новые взгляды о распространении волн должны быть, по нашему мнению, отнесены и к длинным волнам. Это даст также и в этой области значительное упрощение в понимании явлений, об'единяя все вообще факты о распространении электромагнитных волн.

Если несомненно, что раньше (лет 10 тому назад) практическое значение коротких волн недооценивалось, то столь же несомненно, что сейчас есть опасность их переоценки. Главным источником этой опасности является создавшееся представление, что короткие волны обладают какими-то особыми свойствами, совершенно отличающими их от длинных. Едва-ли это можно считать сейчас доказанным и было-бы правильнее подходить пока к вопросу о коротких волнах более трезво, не считая, что на какой-то грани начинается перелом и радиоволны решительно меняют свое поведение. Вероятнее, что мы имеем постепенное изменение величин, характеризующих условия излучения, распространения и приема волн, начиная от самых длинных и кончая самыми короткими. Мы следующим образом формулируем основные положения, относящиеся к этим условиям.

1. Основное явление распространения электромагнитных радиоволн заключается в их распространении без пространственного рассеяния в кольцевом слое между поверхностью земли и слоем Хивизайда.

2. При наличности поглощения волн (днем, летом), получается сильное ослабление приема с увеличением расстояния и уменьшением длины волны. Для наибольших значений поглощения формула Аустина ²) дает, повидимому, правильные значения силы поля при всех длинах волн.

3. Зимой и ночью, повидимому, поглощение нередко падает до ничтожных значений, а слой Хивизайда получает резкие границы. Поэтому все волны, вплоть до самых коротких, обнаруживают распространение без заметных потерь на весьма больших расстояниях.

4. Излучение из передающей антенны и поглощение приемной антенной при той же высоте быстро возрастает с уменьшением длины волны.

5. При коротких волнах антенны могут легко давать некоторое направленное действие, и к основному распространению будет присоединяться явление, сходное с отражением волны.

6. Мешающее действие атмосферных разрядов при приеме коротких волн значительно меньше, чем при длинных волнах.

Все перечисленные положения позволяют заключить, что короткие волны зимой и ночью легко могут дать прием на огромных расстояниях. Есть основания (пп. 4—6) всегда благоприятствующие коротким волнам сравнительно с длинными. Но днем и летом значительное их поглощение будет все же чрезвычайно ослаблять их прием, а в другое время он должен обнаруживать значительные колебания. Мы не видим причин для изменения этого положения при каком-либо пределе для коротких волн. Между тем еще недавно, после первого увлечения результатами любительских опытов с короткими волнами, многие считали, что волны ниже 200 или 150, а потом 100 метров, обладают какими-то особенными свойствами. Сейчас эту границу переносят к 60 метрам, или даже к 40 м., принимая, что эти волны ведут себя совсем иначе, чем более длинные.

Особенно существенно, и это главный вопрос, возможна-ли вполне регулярная работа короткими волнами и как влияет на них лето и дневной свет. В статье, излагающей опыты Рейнарца в настоящем номере «Д. Р.», читатель найдет утверждение, что волны меньше 60 метров (особенно волны в 20—30 метр.) распространяются днем лучше, чем ночью, и что волны эти обнаруживают свойства, противоположные свойствам длинных волн. Автору пришлось недавно принимать работу Науэнской радиостанции на волне в 26 метров как днем, так и ночью. Прием днем был значительно слабее, чем вечером. То же наблюдалось всегда в опытах связи между Москвой и Ленинградом на волнах 70 и 50 метров, в которых автор принимал участие (см. описание в статье А. Н. Щукина в настоящем номере). Мне кажется, что следует с большой осторожностью относиться к утверждению о лучшем распространении некоторых коротких волн днем и летом. Но возможно, однако, что поглощение и рассеяние их не так велико, как это следовало бы по формуле Аустина. К выяснению этого и к определению условий колебания силы приема при коротких волнах и направлены сейчас усилия многочисленных экспериментаторов, работающих короткими волнами.

До установления каких-либо окончательных результатов по этим вопросам, осторожнее всего придерживаться изложенных выше 6-ти пунктов. Они об'ясняют нам с одной стороны поразительные факты связи с помощью коротких волн на больших расстояниях, с другой об'ясняют также неустойчивость и непостоянство связи при работе короткими волнами.

Если вопрос о значении коротких волн для коммерческой радиосвязи остается до настоящего времени открытым, то чрезвычайное значение их для радиолюбителей не подлежит сомнению. Действительно, если поглощение, ослабляющее силу приема их на больших расстояниях в миллионы и миллиарды раз, нередко исчезает, то получается колоссальный выигрыш в энергии. В этих условиях легко выступают некоторые общие преимущества коротких волн сравнительно с длинными, хотя и не столь значительные, но особенно существенные для любителя.

При работе длинными волнами излучение энергии передающей антенной получается незначительным. Это излучение зависит от отношения высоты антенны к длине рабочей волны

Увеличение высоты антенны связано с постройкой высоких мачт и требует крупных затрат. И все же для длинных волн невозможно получить значительное излучение, так как дальше некоторой высоты мачт итти нельзя. Для улучшения действия передающих станций, для повышения их полезного действия, стремятся поэтому к уменьшению всех остальных потерь (в земле, передатчике и т. д.), кроме полезной потери энергии на излучение. Лишь в последние годы научились строить такие противовесы и заземления, что полезное действие антенн крупных передающих станций доходит до 30 и более процентов. Но эти устройства весьма дороги и применимы лишь на мощных радиостанциях.

Между тем при коротких волнах излучение, т. е. полезная нагрузка, столь велика, что все остальные потери теряют свое значение. Это чрезвычайно облегчает и упрощает устройство передатчиков для коротких волн, так как позволяет без большого ущерба делать все части устройства из простых материалов и примитивной формы. Кроме того передатчики для коротких волн требуют весьма малых самоиндукций с небольшим числом витков и небольших простых конденсаторов.

Точно также и приемная антенна лучше используется при коротких волнах. Приемники для коротких волн также значительно проще и доступнее для самостоятельного изготовления, чем приемники для длинных волн. Вообще техника коротких волн, как нельзя более, подходит для любительских условий работы. Требуется лишь несколько освоиться с более тонкими настройками и регулировками в этой области. Непостоянство же и неустойчивость результатов для этих волн вносит даже иногда добавочный интерес, так как придает работе отчасти спортивный интерес и приводит нередко к неожиданным достижениям.

Дальнейшие работы любителей с короткими волнами чрезвычайно желательны и ценны не только для получения полного материала, который должен привести к окончательному решению еще неясных вопросов в области распространения волн, но имеют крупный самостоятельный интерес. Мы можем сейчас с уверенностью сказать, что короткие волны найдут свою широкую область применения (чего нельзя было ожидать раньше до радиолюбительских достижений), они в большей или меньшей мере будут использованы для коммерческой связи, найдут большое применение для военной связи и будут господствующими для любительских и вообще маломощных радиоустановок. Поэтому наши радиолюбители должны возможно скорее принять активное участие в общей работе по передаче и приему короткими волнами.