И. ПРАСОЛОВ и А.СТЕНИПАНИН
Вопрос о дальности действия передающей радиостанции представляет большой интерес для каждого радиолюбителя. Зная дальность действия той или другой станции, можно наперед сказать, как эта станция будет слышна в данном месте, какая нужна аппаратура, чтобы ее принять с достаточной громкостью, какие требования для этого надо предъявить к приемной антенне и т. д. Поэтому всякий радиолюбитель, который поставил себе задачей получить регулярный прием той или другой станции, должен прежде всего выяснить, какова дальность действия этой станции. Обычно в радиолюбительской литературе встречаются указания, что «такая-то станция обладает такой-то дальностью действия». Однако этих указаний совершенно недостаточно для более или менее надежного расчета, так как дальность действия станции зависит от целого ряда причин, которые могут изменяться. Так, например, дальность действия станции зависит от длины ее волны, и поэтому, если станция переходит на работу другой волной, то прежние указания относительно дальности ее действия окажутся уже неверными.
С другой стороны, дальность действия станций указывается обычно для каких-то средних условий приема и для так называемой «нормальной приемной установки». Между тем, если любитель несколько улучшит качество приемной установки, то он сможет получить надежный прием даже в том случае, если расстояние до передающей станции больше, чем указываемая дальность ее действия. Наоборот, при приеме радиостанций, находящихся на расстоянии много меньшем, чем дальность их действия, можно для получения регулярного приема пользоваться установкой более примитивной, чем так называемая «нормальная».
Словом, для того, чтобы установить возможность приема той или другой станции и выяснить, каким требованиям должна удовлетворять предназначенная для этой цели радиоустановка, недостаточно приводимых обычно указаний о дальности действия станций. Нужны более подробные сведения и указания относительно станций, которые позволили бы радиолюбителю произвести нужные расчеты. Прежде всего необходимо разобраться в вопросе о том, как зависит сила приема от разных обстоятельств, как она уменьшается при увеличении расстояния от передающей станции и, наконец, как она зависит от мощности станции, длины ее волны и т. д. Все эти влияния учитываются так называемой «основной формулой радиопередачи» (формулой Остина). Однако, формула эта не является вполне точной и до сих пор повторяются попытки проверить ее на опыте и внести в нее нужные исправления. Большая работа в этом направлении была проделана инженерами Центральной лаборатории связи НКПТ И. Прасоловым и А. Стенипаниным. В результате этой работы им удалось внести некоторые поправки в основную формулу радиопередачи, причем эти поправки уточняют формулу и уменьшают ошибки, получающиеся при ее применении.
Однако сама по себе формула Остина не даст возможности рядовому радиолюбителю произвести все нужные расчеты. Кроме самой формулы, необходимо также располагать сведениями о мощности станции, высоте ее антенны, силе тока в антенне и т. д. Зато, располагая этими сведениями, каждый радиолюбитель сможет самостоятельно решить вопрос о дальности действия той или другой станции, о возможности ее приема и о качествах приемной установки, которая для этой цели необходима.
Для того, чтобы дать возможность каждому радиолюбителю произвести все необходимые расчеты и решить вопрос о возможности приема той или другой станции, мы помещаем в нашем журнале статью инженеров И. Прасолова и А. Стенипанина, в которой содержатся все нужные для выполнения этих расчетов сведения и указания. Там, где это возможно, помимо формул для расчетов, приведены также графики и таблицы, которые облегчат выполнение расчетов радиолюбителям, плохо владеющим математикой.
Помещая настоящую статью, редакция рассчитывает тем самым внести ясность в вопрос о дальности действия станций и дать каждому радиолюбителю возможность самостоятельно решить вопрос о том, когда, кого и как он сможет слушать.
В процессе радиопередачи мы имеем три основных этапа. Это передающая станция, среда, в которой распространяется электромагнитная энергия и, наконец, приемник.
В то время, как техника строительства радиостанций и изготовления приемной аппаратуры достигла в настоящее время большего совершенства и качество аппаратуры в основном зависит от нас, в то же самое время мы не можем управлять средой (состоянием атмосферы, характером земной поверхности) и даже не знаем как следует всех сложных явлений, происходящих в среде, хотя работы в этой области ведутся уже давно как у нас в СССР, так и за границей.
Настоящая статья представляет собой попытку познакомить радиолюбителя с вопросами радиопередачи (в среде), а также попутно привести те сведения и указания, которые будут весьма полезны радиолюбителю в его повседневной работе.
Строение атмосферы в общих чертах таково. По мере повышения над уровнем земли плотность атмосферы падает, а проводимость ее растет. Примерно на высоте около 150 км атмосфера обладает наибольшей постоянной проводимости. Ниже этой границы атмосфера делается сильно проводящей лишь под непосредственным влиянием солнца. Ночью, т. е. когда солнце не освещает этого слоя, проводимость его уменьшается. Есть основания предполагать, что наибольшие изменения проводимости в течение суток происходят на высоте 100 км над землей.
Процесс распространения электромагнитной энергии, как известно, происходит различно для коротких и длинных волн. Длинные волны не проникают в верхний (ионизированный) слой атмосферы, а распространяются в нижних слоях между двумя концентрическими границами (землей и границей проводящего слоя), все время «прижимаясь» к земле (рис. 1). Короткие же волны проникают в проводящие слои атмосферы и, преломляясь там, снова возвращаются к земле (рис. 2). Поэтому при коротких волнах электромагнитная энергия не заполняет вcей площади целиком и есть такие места, куда электромагнитная энергия не попадает (это так называемые зоны молчания).
Понятно, что при различных условиях распространения электромагнитной энергии для длинных и коротких волн различны и формулы, которыми определяется энергия, попадающая в место приема в том или другом случае. Мы в дальнейшем изложении будем касаться лишь вопросов радиопередачи на волнах широковещательного диапазона.
Колебания силы приема в первую очередь зависят от действия солнца на атмосферу. Солнечный свет отражается на радиопередаче неблагоприятно, и — все, что так или иначе его ослабляет, обыкновенно благоприятно отражается на радиоприеме. Каждый радиолюбитель, вероятно, наблюдал, что днем условия приема хуже. Ночью сила приема бывает больше, но зато она гораздо менее постоянна, наблюдается явление «фэдингов» (замираний), особенно сильно заметное на больших расстояниях и сравнительно коротких волнах (ВЦСПС, Опытный передатчик и меньше).
Далее наблюдается, что летние месяцы (июнь, июль, август) дают наихудшую слышимость, а зимние (декабрь, январь, февраль) — наиболее громкий прием. Следовательно, самый слабый прием будет в летний день, и для этого случая надо рассчитывать и передающую и приемную радиостанции, ибо если возможен прием в худших условиях, то в лучших он всегда будет возможен.
Однако принимать можно различно. Можно принять какую-либо станцию так, что ее будет еле слышно, или днем совершенно не будет слышно, и слабо будет слышно ночью. Это так называемый неуверенный или нерегулярный прием. Если же какую-либо станцию можно принимать и днем и ночью, и слышно ее вполне разборчиво, но посторонний шум в комнате все же мешает слушать, такой прием мы будем называть средним.
Уверенным приемом мы называем такой прием, когда станция слышна и днем и ночью без малейшего напряжения, посторонние шумы мешают, но не настолько, чтобы испортить прием.
Кроме трех указанных категорий приема, можно различать еще рекордный прием, т. е. прием, выходящий за рамки обычного. Например, в данном месте мы не должны были бы слышать Опытный передатчик, но в силу тех или иных благоприятных условий его все же удалось принять.
Все те цифры и нормы, которые мы будем приводить ниже, относятся к первым трем категориям приема, причем эти цифры нужно считать минимальными для получения того или другого приема.
Напряженность электрического поля, создаваемая электромагнитной волной передающей радиостанции в месте приема на любом расстоянии от передатчика, может быть вычислена по формулам, приведенным ниже, если будут известны следующие данные относительно передающей станции:
или сила тока в антенне JA, действующая высота антенны hg, длина рабочей волны λ и расстояние между передающей станцией и местом приема d,
или излучаемая мощность We, длина волны λ и расстояние d.
Основной формулой радиопередачи, по которой производится расчет напряженности электрического для в месте приема, является формула Остина (Austin), которая имеет следующий вид:
| —0,0014d | ||||||
| ε = | 377JAhg | I | λ0,6 | микровольт на метр ( | µv | ) |
| λ·d | m |
где JA — есть сила тока в антенне передающей станции в амперах,
hg — действующая высота антенны передающей станции в метрах,
λ — длина волны передающей станции в километрах,
d — расстояние между передающей станцией и местом приема в километрах.
—0,0014d I λ0,6 — коэффициент (показатель),
характеризующий рассеяние и поглощение энергии при распространении, причем I — это основание натуральных логарифмов, то есть число 2,718.
Вычисленная по этой формуле напряженность электрического поля получается в микровольтах на метр «действующей» высоты антенны. Последнее выражение «микровольты на метр» нелишне будет несколько разъяснить.
Электрическое напряжение измеряется, как известно, в вольтах (вольт — единица напряжения). Для того, чтобы определить напряженность электрического поля, нужно указать, какое напряжение приходится между двумя точками поля, находящимися на определенном расстоянии друг от друга. Для определения напряженности поля принято указывать то напряжение, которое существует между двумя точками, находящимися на расстоянии в один метр по направлению поля. Поэтому-то напряженность поля и измеряется в вольтах на метр. Например, если мы будем иметь поле в 0,1 вольта на метр, то между двумя точками, находящимися на расстоянии в 10 метров по направлению поля, мы получим напряжение в 1 вольт. Обратно, если электрическое поле электромагнитной волны способно создать в антенне электродвижущую силу (напряжение), допустим, равную одному вольту, а высота антенны при этом будет равна, допустим, 10 метрам, то число вольт, приходящихся на 1 метр высоты антенны, и даст вам величину напряженности электрического поля, равную 1 вольт : 10 метров = 0,1 вольт/метр.
Под высотой антенны в этом случае мы должны понимать не геометрическую высоту антенны, т. е. не просто высоту подвеса антенны, а так называемую «действующую» высоту. Чтобы уяснить себе, что такое «действующая» высота антенны, лучше всего рассмотрим такой пример: допустим, что имеется антенна в виде простого вертикального провода, геометрическая высота которого пусть будет h. Как известно, при колебаниях сила тока и напряжение будут не одинаковы по всей длине такого провода — антенны. Через каждое сечение провода будет проходить тем больший ток, чем ближе к земле будет находиться рассматриваемое сечение. Кривая распределения тока и напряжения указана на рис. 3. Как видно, наибольший ток будет у самой земли, тогда как напряжение в этом месте равно нулю. И наоборот — на конце антенны вверху тока нет, а напряжение наибольшее. Вследствие такого неравномерного распределения тока и напряжения вдоль антенны и приходится учитывать не геометрическую, а действующую выеоту антенны.
Теория и указывает, что мерою действующей высоты будет заштрихованная на рисунке площадь. Эта площадь, с одной стороны, зависит от геометрической высоты антенны, а с другой — от кривой распределения и напряжения тока в антенне. Эту площадь мы можем превратить в равную площадь прямоугольника, одной из сторон которого будет сила тока JA в пучности (у земли) или величина напряжения в пучности (на верхнем конце), а другой — величина, называемая «действующей» высотой (hg). Как видно, «действующая» высота меньше геометрической, причем она зависит не только от геометрической высоты, но и от формы антенны.