"CQ-SKW", №19, октябрь, 1930 год, стр. 157-159

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОРОТКИХ ВОЛН

М. Б.

Одной из существенных особенностей, отличающих радиосвязь на коротких волнах, являются так называемые «мертвые зоны», т. е. области, в которых прием вовсе отсутствует, хотя на значительно больших расстояниях от передатчика прием снова возможен.

Рис. 1.

Существование мертвых зон объясняется следующим образом. В непосредственной близости от передатчика имеются налицо как волна, распространяющаяся в пространстве, так и волна, связанная с землей и распространяющаяся вдоль поверхности земли (так называемая «земная волна»). На несколько большем расстоянии, когда передающая станция скрывается за горизонтом вследствие кривизны земли, пространственная волна не достигает приемника и остается только земная волна. Вследствие поглощения земная волна при коротких волнах очень быстро затухает при распространении. Район, в котором она еще не окончательно поглощена, и может быть принята, зависит от свойств почвы, но, во всяком случае, он тем меньше, чем короче волна. При волнах короче 30 метров земная волна может быть обнаружена лишь на расстоянии немногих десятков километров. Там, где земная волна уже окончательно поглощена, начинается та зона, в которой прием отсутствует («мертвая зона») и которая кончается в том месте, куда уже достигают пространственные волны, отразившиеся от верхних слоев атмосферы. Эта картина наглядно представлена на рис. 1: в точке А находится передатчик, В есть начало, а С — конец мертвой зоны. Сила приема в каждой точке условно обозначена длиной вертикального штриха в данной точке. Область СД носит название первой зоны приема. Иногда после первой зоны приема существует снова мертвая зона, сменяющаяся второй зоной приема и т. д. Для объяснения существования мертвых зон и зависимости их протяжения от длины волны и других условий необходимо напомнить, как происходит преломление коротких волн в атмосфере.

Положим, что в точке А (рис. 2) находится передатчик, который излучает энергию равномерно под всеми углами к горизонту. Это значит, что из точки А, как из центра, расходятся электромагнитные лучи, падающие под различными углами на преломляющий слой верхней атмосферы, который изображен на рис. 2 пунктирной линией.

Рис. 2.

Рассмотрим пути некоторых из этих лучей. Луч № 1, вышедший параллельно к горизонту, встречает преломляющий слой под углом, который будет иметь величину меньшую, чем угол между каждым из всех других лучей и преломляющим слоем. Этот луч будет находиться в самых благоприятных условиях для возвращения на землю, так как ему нужно меньше всего для этого искривиться.

Луч № 2, вышедший под углом к горизонту, встретит слой под большим углом и для возвращения его на землю ему нужно изменить свое направление сильнее, чем лучу № 1.

Наконец, найдется луч № 3, который встретит слой под еще большим углом, являющимся предельным при данной волне и при данном состоянии атмосферы для того, чтобы луч мог возвратиться на землю. Угол, под которым вышел этот луч с земной поверхности, называется критическим, потому что все лучи, вышедшие под большими углами, не в состоянии будут преломиться и уйдут за пределы атмосферы, как это указано на рис. 2 для лучей № 4 и № 5.

Эта картина в действительности может оказаться несколько более сложной, если существует не один, а несколько преломляющих слоев. Однако в общих чертах результат и в том случае сведется к тому, что за пределами определенного угла лучи не в состоянии будут преломиться в достаточной степени, чтобы вернуться на землю.

Полезным излучением можно назвать лишь то, которое заключается в пределах критического угла. Чем короче волна, тем она меньше искривляется в преломляющем слое и поэтому критический угол уменьшается с укорочением волны. Кроме того величина критического угла зависит и от состояния атмосферы; днем, когда ионизация сильнее и вместе с тем искривление лучей происходит сильнее, критический угол больше, а ночью — меньше. Следующая таблица дает значение критических углов для различных волн в условиях дневной передачи:

Очевидно, что расстояние от станции до места возвращения луча на землю, которое называется «дальностью скачка», тем меньше, чем длинее волна, т. е. чем больше критический угол, в то время как конец мертвой зоны мало зависит от длины волны. Зависимость дальности скачка от длины волны показана на рис. 3. Этот график может служить для ориентировки при выборе рабочей длины волны для данного расстояния. Надо иметь в виду, что не следует пользоваться волнами, у которых дальность скачка близка расстоянию между передающими и приемными станциями, так как при изменении условий ионизации прием может быть неустойчивым вследствие перемещения мертвой зоны.

Рис. 3.

Повторные мертвые зоны могут существовать вследствие повторных отражений волн. Они могут быть замечены лишь у самых коротких волн при малом критическом угле, как это показано на рис. 4. Наоборот, если критический угол велик, то повторные мертвые зоны не могут быть обнаружены, так как отдельные лучи перекрывают друг друга, и повторные мертвые зоны не обнаружатся.

Следующей важной особенностью коротких волн являются так называемые замирания или фэддинги. Замирания разделяются на две категории: на «общие», которые захватывают одновременно волны в широком диапазоне, и «селективные», которые происходят неодинаково даже для близких волн.

Рис. 4.

К первой категории относятся общеизвестные суточные изменения силы приема, имеющие для каждой волны характер медленного замирания. Наблюдаются также и быстрые замирания этой категории, причины которых пока недостаточно выяснены. Однако в большинстве случаев быстрые замирания относятся к категории селективных. Наблюдая, например, эти замирания одновременно на волне 20 м и 20,01 м, мы обнаружим, что они происходят в различные моменты времени или по различному закону. Равным образом, при селективных замираниях изменение силы приема одной и той же волны происходит неодинаково в 2-х различных точках земной поверхности, находящихся на расстоянии всего лишь нескольких сот метров одна от другой.

Селективные замирания обусловливаются двумя причинами: во-первых — интерференцией, т. е. взаимным наложением нескольких лучей, пришедших по различным путям от передатчика, и, во-вторых, — вращением плоскости поляризации луча, т. е. изменением ориентировки электрического поля волны.

Рис. 5.

Поясним эти явления на примере. Положим, что в точке А (рис. 5) расположен передатчик, а в точке В — приемник, до которого достигают одновременно два луча: первый АеВ — после однократного отражения и второй АСdfВ — после двукратного отражения. Положим, что общая длина пути первого луча равна l₁ а длина второго — l₂. Если длина волны λ, то на протяжении первого луча уложится l₁/λ волн, а на протяжении второго l₂/λ волн. Если разность между числом уложившихся волн

равна целому числу волн, т. е. четному числу полуволн, то фазы волн в обоих лучах в точке В совпадут, если же эта разность будет равна целому, но нечетному числу полуволн, то лучи придут, отличаясь на полволны, т. е. колебания будут находиться в противоположной фазе. В первом случае произойдет усиление, а во втором — ослабление силы приема.

Если l₁ и l₂ нам даны, то мы можем подобрать λ так, что колебания в точке В будут в фазе. Если, наоборот, нам дана λ, то, перемещая точку приема В, мы можем подобрать соответствующую величину разности l₁ — l₂, т. е., другими словами, найти такое положение приемника, что достигающие до него лучи будут взаимно усиливать друг друга.

Можно достигнуть того же результата и иначе, а именно: одновременно работать на нескольких волнах или одновременно принимать одну и ту же волну в нескольких местах. В этом случае ослабление приема на одной волне будет компенсироваться усилением его на другой или ослабление приема в одной точке будет компенсироваться усилением его в другой. Современные станции используют оба этих метода. Для целей любительской связи первый способ, конечно, значительно проще; он сводится к тому, что передачу производят модулированными колебаниями, которые, как известно, содержат не одну волну, а целый спектр волн. Лучшим способом модуляции для этой цели оказывается, впрочем, не модуляция по амплитуде, а модуляция по частоте, т. е. периодические изменения в небольших пределах длины волны. Этот последний способ легко может быть осуществлен, например, при помощи вертушки А (рис. 6), снабженной зубцами b и приводимой в движение, например, часовым механизмом. Если поместить такую вертушку вблизи конденсатора колебательного контура, или даже вблизи антенны, то при вращении ее будет периодически меняться емкость, а следовательно и длина волны. Для того, чтобы иметь возможность удобно регулировать глубину модуляции частоты, т. е. величину изменений, прибор может быть устроен, например, следующим образом: диск размерам от 10 до 20 см снабжен зубцами, выступающими за окружность диска на расстояние 2 см, имеющими ширину около 1½ см. Диск с зубцами вырезан из картона, и оклеен станиолью. Металлическая ось, на которую он насажен, соединена с этой станиолью и заземлена. Металлическая пластинка, по размерам соответствующая зубцам, закрепляется на отдельной деревянной стойке и может приближаться к диску или удаляться от него. Эта пластинка и зубец диска образуют маленький конденсатор, емкость которого меняется при вращении диска. Такой конденсатор присоединяется к конденсатору контура и служит для периодического изменения длины волны.

Рис. 6.

Поляризационные замирания происходят по следующим причинам. Во время прохождения электромагнитной волны через ионизированный слой в присутствии магнитного поля земли происходит постепенное вращение плоскости поляризации. Поэтому луч, отправленный вертикальной антенной, на месте приема может оказаться поляризованным горизонтально и будет хорошо принят на горизонтальную приемную антенну, в то время как на вертикальной прием будет отсутствовать. Наоборот, на более далеком расстоянии он снова будет принят на вертикальную антенну и не принят на горизонтальную, так как произойдет дальнейшее вращение плоскости поляризации. Так как условия ионизации все время меняются, то и поворот плоскости поляризации на пути между передающей и приемной станцией может быть различным. Поэтому на приемной станции постоянно наблюдается изменение поляризации принимаемого луча. Это вызывает замирания, устранить которые можно, применяя одновременно две антенны, направленные взаимно-перпендикулярно одна к другой и перпендикулярно к направлению на передающую станцию. В частности, это может быть одна вертикальная антенна в пол-длины волны и одна такая же горизонтальная, причем последняя направлена перпендикулярно направлению на передающую станцию. Прием производится на два отдельных приемника, - имеющих общую цепь низкой частоты.

Хотя этот способ и вносит известное усложнение в устройство любительской приемной станции, но все же мы считаем, что осуществление его под силу любителям и рекомендуем этот метод при приеме дальних радиотелефонных станций, так как поляризационные замирания на больших расстояниях являются одной из основных причин замираний.

Следующей особенностью коротких волн является так называемое «эхо», которое заключается в получении на приемной станции повторных сигналов, созданных несколькими лучами, пришедшими различными путями. Сигнал, достигший приемника по более короткому пути, может уже прекратить свое действие, когда придет повторный сигнал, пришедший по более длинному пути. Вследствие этого получается повторение передаваемого сигнала. Явление «эхо» становится особенно заметным, когда сигнал короток, как это имеет место при передаче изображений. Так, например, на рис. 7 показано явление эхо при постепенном ускорении передачи изображения. Средний столбец текста соответствует скорости передачи 100 точек в секунду; левый столбец соответствует скорости передачи 150 точек в секунду, и в нем уже заметна размытость; правый столбец соответствует 300 точкам в секунду ¹); в этом столбце текст получается мало разборчивым вследствие повторных сигналов, вызванных эхо.

Рис. 7.

Эккерслеем подробно описано явление эхо, которое он наблюдал в Соммертоне при передаче из Нью-Йорка. Передаваемый сигнал повторялся иногда 2 или 3 раза, а в редких случаях и по 5 раз. С укорочением волны число повторений, обусловленных эхо, уменьшалось. Это вполне соответствует нашему представлению об отражении волн, согласно которому более длинные волны могут отражаться под бо́льшими углами к преломляющему слою и, следовательно, проходить по большому числу путей.

Эхо может быть обусловлено также волной, обходящей земной шар с обратной стороны, как это неоднократно наблюдалось в Гельтовте при передаче из Буэнос-Айреса. В последнее время неоднократно наблюдалось эхо, обусловленное также отражением от различных слоев, находящихся за пределами земной атмосферы. Так, например, германские инженеры наблюдали эхо, приходящее с высоты 1500 км над землей. Другими наблюдателями зарегистрированы также весьма длительные эхо, в частности Иоргеном Хальсоном наблюдалось эхо, достигавшее приемника через 4 минуты после получения основного сигнала. Другими словами, электрическая волна должна была испытать отражение от слоя, находящегося на половине расстояния между землей и солнцем.

Последние наблюдения особенно интересны в том смысле, что открывают новые горизонты для радиопередачи путем отражения от внеземных слоев, в которых может, вероятно, существовать гораздо большая концентрация электронов и, следовательно, эти слои могут вызывать отражение даже ультракоротких волн.

---

¹) В тексте, скорее всего, опечатка: "Средний столбец текста соответствует скорости передачи 100 точек в секунду; левый столбец соответствует скорости передачи 150 точек в секунду, и в нем уже заметна размытость; правый столбец соответствует 300 точкам в секунду". Можно предположить, что перепутаны средний и левый столбцы. (прим. составителя). (стр. 159.)