Skywave

Радиоволны (черный), отражающиеся от ионосферы (красный) во время распространения космической волны

В радиосвязи , SkyWave или пропустить относится к распространению из радиоволн , отраженных или преломленных обратно к Земле от ионосферы , в электрический заряженном слое верхней атмосферы . Поскольку оно не ограничено кривизной Земли, распространение небесных волн может использоваться для передачи сообщений за горизонт на межконтинентальных расстояниях. Он в основном используется в коротковолновых диапазонах частот.

В результате распространения ионосферной волны сигнал от удаленной радиовещательной станции AM , коротковолновой станции или - во время спорадических условий распространения E (в основном в летние месяцы в обоих полушариях) удаленной станции VHF FM или ТВ - иногда может приниматься как ясно как местные станции. Большая часть коротковолновой ( высокочастотной ) радиосвязи на большие расстояния - от 3 до 30 МГц - является результатом распространения ионосферной волны. С начала 1920-х годов радиолюбители (или «радиолюбители»), ограниченные более низкой мощностью передатчика, чем радиовещательные станции , использовали Skywave для связи на большие расстояния (или « DX »).

Распространение небесной волны отличается от:

• тропосферное рассеяние , альтернативный метод достижения загоризонтной передачи на более высоких частотах,
• groundwave распространения, где путешествовать радиоволны вдоль поверхности Земли , не будучи отраженный или преломленный атмосферой - режим доминирующего распространения на более низких частотах,
• Распространение по прямой видимости , при котором радиоволны распространяются по прямой линии, доминирующий режим на более высоких частотах.

Местное и удаленное распространение небесных волн [ править ]

Передачи Skywave могут использоваться для связи на большие расстояния (DX) с помощью волн, направленных под малым углом, а также для относительно локальной связи с помощью почти вертикально направленных волн ( Near Vertical Incidence Skywaves - NVIS ).

Небесные волны под низким углом [ править ]

Ионосфера - это область верхних слоев атмосферы на высоте от 80 до 1000 км, где нейтральный воздух ионизируется солнечными фотонами и космическими лучами . Когда высокочастотные сигналы входят в ионосферу под малым углом, они отклоняются назад к Земле ионизированным слоем. ^[1] Если пиковая ионизация достаточно сильна для выбранной частоты, волна выйдет из нижней части слоя по направлению к земле - как если бы наклонно отражалась от зеркала. Поверхность Земли (земля или вода) затем снова отражает нисходящую волну обратно в ионосферу.

При работе на частотах чуть ниже МПЧ потери могут быть довольно небольшими, поэтому радиосигнал может эффективно "отражаться" или "пропускаться" между землей и ионосферой два или более раза (многозвенное распространение), даже в соответствии с кривизной земной шар. Следовательно, даже сигналы мощностью всего несколько ватт иногда могут приниматься за многие тысячи миль. Это то, что позволяет коротковолновомутрансляции для путешествий по всему миру. Если ионизация недостаточно велика, волна только слегка изгибается вниз, а затем вверх по мере прохождения пика ионизации, так что она выходит из верхней части слоя, лишь слегка смещаясь. Затем волна теряется в пространстве. Чтобы предотвратить это, необходимо выбрать более низкую частоту. За один «прыжок» можно преодолеть расстояние до 3500 км. Более длинные передачи могут происходить с двумя или более прыжками. ^[2]

Почти вертикальные небесные волны [ править ]

Skywaves направлены почти вертикально, упоминаются как почти вертикальная заболеваемость skywaves ( NVIS ) . На некоторых частотах, как правило, в нижней коротковолновой области, небесные волны под большим углом будут отражаться прямо назад к земле. Когда волна возвращается на землю, она распространяется на обширную территорию, обеспечивая связь в пределах нескольких сотен миль от передающей антенны. NVIS обеспечивает локальную и региональную связь, даже из низинных долин, на большую территорию, например, весь штат или небольшую страну. Покрытие аналогичной области с помощью УКВ-передатчика прямой видимости потребует расположения на очень высокой вершине горы. Таким образом, NVIS полезен для сетей в масштабе штата, таких как те, которые необходимы для связи в чрезвычайных ситуациях. ^[3]В коротковолновом радиовещании NVIS очень полезен для региональных трансляций, которые нацелены на область, которая простирается от местоположения передатчика до нескольких сотен миль, например, в случае страны или языковой группы, доступной изнутри границ. этой страны. Это будет намного экономичнее, чем использование нескольких передатчиков FM (VHF) или AM. Подходящие антенны предназначены для создания сильного лепестка при больших углах. Когда ионосферная волна ближнего действия нежелательна, например, когда радиовещательная АМ-радиовещательная компания желает избежать интерференции между земной волной и небесной волной, используются антенны , препятствующие замиранию , для подавления волн, распространяющихся под большими углами.

Покрытие среднего расстояния [ править ]

Для каждого расстояния, от местного до максимального расстояния передачи (DX), существует оптимальный угол «взлета» для антенны, как показано здесь. Например, используя слой F в ночное время, чтобы лучше всего добраться до приемника на расстоянии 500 миль, следует выбрать антенну с сильным лепестком на высоте 40 градусов. Также видно, что для самых длинных расстояний лучше всего подходит лепесток под малым углом (менее 10 градусов). Для NVIS оптимальны углы более 45 градусов. Подходящие антенны для больших расстояний - это высокая Яги или ромбическая; для NVIS - диполь или массив диполей на высоте около 0,2 длины волны над землей; а для средних расстояний - диполь или Яги на длине волны около 0,5 длины волны над землей. Вертикальные диаграммы направленности для каждого типа антенны используются для выбора подходящей антенны.

Затухание [ править ]

На любом расстоянии небесные волны исчезнут. Слой ионосферной плазмы с достаточной ионизацией (отражающая поверхность) не закреплен, а волнообразно движется, как поверхность океана. Различная эффективность отражения от этой изменяющейся поверхности может вызвать изменение мощности отраженного сигнала, вызывая « затухание » коротковолновых передач. Еще более серьезные замирания могут возникать, когда сигналы поступают по двум или более путям, например, когда и односкачковые, и двухскачковые волны интерферируют друг с другом, или когда сигнал ионосферной волны и сигнал земной волны прибывают примерно одинаковой силы. Это наиболее распространенный источник замирания сигналов ночного вещания AM. Замирание всегда присутствует с сигналами ионосферной волны, за исключением цифровых сигналов, таких как DRM серьезно ограничивают точность коротковолнового вещания.

Другие соображения [ править ]

УКВ- сигналы с частотами выше примерно 30 МГц обычно проникают в ионосферу и не возвращаются на поверхность Земли. Заметным исключением является E-skip , где УКВ-сигналы, включая ЧМ-радиовещание и УКВ-ТВ-сигналы, часто отражаются на Землю в конце весны и начале лета. E-skip редко влияет на частоты UHF , за исключением очень редких случаев ниже 500 МГц.

Частоты ниже примерно 10 МГц (длины волн более 30 метров), включая радиовещание в средневолновом и коротковолновом диапазонах (и, в некоторой степени, в длинноволновом диапазоне ), наиболее эффективно распространяются в небесных волнах в ночное время. Частоты выше 10 МГц (длины волн короче 30 метров) обычно наиболее эффективно распространяются в течение дня. Частоты ниже 3 кГц имеют длину волны больше, чем расстояние между Землей и ионосферой. На максимальную используемую частоту для распространения ионосферной волны сильно влияет количество солнечных пятен .

Во время геомагнитных бурь распространение небесных волн обычно ухудшается, а иногда и серьезно . Распространение небесных волн на освещенной солнцем стороне Земли может быть полностью нарушено во время внезапных ионосферных возмущений .

Поскольку нижние слои (в частности, E-слой ) ионосферы в значительной степени исчезают ночью, преломляющий слой ионосферы ночью находится намного выше поверхности Земли. Это приводит к увеличению «пропуска» или «скачка» расстояния небесной волны ночью.

История открытия [ править ]

Радиолюбителям приписывают открытие распространения небесных волн в коротковолновых диапазонах. Раннее использовали услуги дальней связи поверхностной волны распространения на очень низких частотах , ^[4] , которые ослабляются вдоль пути. Более длинные расстояния и более высокие частоты при использовании этого метода означают большее ослабление сигнала. Это, а также трудности с генерацией и обнаружением более высоких частот затрудняли обнаружение распространения коротких волн для коммерческих служб.

Радиолюбители провели первые успешные трансатлантические испытания ^[5] в декабре 1921 года, работая в 200-метровом диапазоне средних волн (1500 кГц) - самой короткой длине волны, доступной тогда для любителей. В 1922 году сотни североамериканских любителей были услышаны в Европе на расстоянии 200 метров и по крайней мере 30 североамериканских любителей слышали любительские сигналы из Европы. Первые двусторонние связи между любителями из Северной Америки и Гавайев начались в 1922 году на высоте 200 метров. Хотя работа на длинах волн короче 200 метров была технически незаконной (но допускалась, поскольку власти сначала ошибочно полагали, что такие частоты бесполезны для коммерческого или военного использования), любители начали экспериментировать с этими длинами волн, используя новые доступные электронные лампы. вскоре после Первой мировой войны.

Чрезвычайные помехи на верхнем краю диапазона 150-200 метров - официальные длины волн, выделенные любителям Второй национальной радиоконференцией ^[6] в 1923 году, вынуждали любителей переключаться на все более короткие длины волн; однако любители были ограничены правилами до длин волн более 150 метров (2 МГц). Несколько удачливых любителей, получивших специальное разрешение на экспериментальную связь на глубине ниже 150 метров, в 1923 году установили сотни двухсторонних дальних контактов на 100 метров (3 МГц), включая первые трансатлантические двусторонние контакты ^[7] в ноябре 1923 года, на 110. метров (2,72 МГц)

К 1924 году многие дополнительные специально лицензированные любители регулярно устанавливали трансокеанские контакты на расстояниях 6000 миль (~ 9600 км) и более. 21 сентября несколько любителей из Калифорнии установили двусторонний контакт с любителем из Новой Зеландии. 19 октября любители из Новой Зеландии и Англии завершили 90-минутное двустороннее столкновение почти на полпути вокруг земного шара. 10 октября Третья национальная радиоконференция предоставила американским любителям ^[8] три коротковолновых диапазона на 80 метров (3,75 МГц), 40 метров (7 МГц) и 20 метров (14 МГц). Они были распределены по всему миру, а 10-метровый диапазон (28 МГц) был создан Вашингтонской международной радиотелеграфной конференцией ^[9]25 ноября 1927 года. 15-метровый диапазон (21 МГц) был открыт для любителей в Соединенных Штатах 1 мая 1952 года.

Маркони [ править ]

В июне и июле 1923 года Гульельмо Маркони передач «S были завершены в течение ночи на 97 метров от беспроводной станции Poldhu , Корнуолл , на своей яхте Ellette в Кабо - Верде . В сентябре 1924 года Маркони передавал днем ​​и ночью на 32 метра от Полдху на свою яхту в Бейруте. В июле 1924 года Маркони заключил контракты с Главным почтовым управлением Великобритании (GPO) на установку высокоскоростных коротковолновых телеграфных каналов из Лондона в Австралию, Индию, Южную Африку и Канаду в качестве основного элемента беспроводной сети Imperial Wireless.. Служба беспроводной связи Beam Wireless, соединяющая Великобританию и Канаду, начала коммерческую эксплуатацию 25 октября 1926 года. Служба беспроводной связи Beam Wireless Services из Великобритании в Австралию, Южную Африку и Индию была введена в эксплуатацию в 1927 году.

Для дальней связи в коротковолновых диапазонах доступен гораздо больший спектр, чем в длинноволновых; а коротковолновые передатчики, приемники и антенны были на порядки дешевле, чем передатчики на несколько сотен киловатт и чудовищные антенны, необходимые для длинных волн.

Коротковолновая связь начала быстро развиваться в 1920-х годах ^[10], подобно Интернету в конце 20-го века. К 1928 году более половины междугородных коммуникаций перешло от трансокеанских кабелей и длинноволновых беспроводных услуг к коротковолновой «пропущенной» передаче, и общий объем трансокеанской коротковолновой связи значительно увеличился. Коротковолновый также устранил потребность в многомиллионных инвестициях в новые трансокеанские телеграфные кабели и массивные длинноволновые беспроводные станции, хотя некоторые существующие трансокеанские телеграфные кабели и коммерческие станции длинноволновой связи использовались до 1960-х годов.

Кабельные компании начали терять крупные суммы денег в 1927 году, и серьезный финансовый кризис поставил под угрозу жизнеспособность кабельных компаний, которые были жизненно важны для стратегических британских интересов. Британское правительство созвало Imperial Wireless and Cable Conference ^[11] в 1928 году, «чтобы изучить ситуацию, возникшую в результате конкуренции Beam Wireless с Cable Services». Он рекомендовал и получил одобрение правительства на объединение всех зарубежных кабельных и беспроводных ресурсов Империи в одну систему, контролируемую недавно созданной компанией Imperial and International Communications Ltd. в 1929 году. Название компании было изменено на Cable and Wireless Ltd. в 1934 г.

Сигнал, который обеспечил Гульельмо Маркони его место в истории, был недолгим: просто точки азбуки Морзе на букве «S». Но эти три коротких радиопередачи представляют собой гигантский скачок для человечества. Сигнал, который прошел около 2000 миль по открытой воде от передатчика в Полдху, Корнуолл, до хижины на ветреном холме Ньюфаундленда, был доказательством того, что радиоволны могут «огибать» кривизну Земли и эффективно преодолевать 100-градусные границы. водная стена высотой в милю закрывает вид на Америку из Британии. Для Маркони, тогда еще молодого итальянца (с ирландскими корнями по материнской линии), и его верного помощника, бывшего старшего офицера по имени Джордж Кемп, напрягавших слух над примитивным беспроводным устройством,эти слабые радиосигналы триумфально доказали, что Маркони был прав все время, когда настаивал на том, что не существует непреодолимого препятствия для посылки радиоволн из одного уголка планеты в другой.

«Было около половины двенадцатого, когда я услышал три щелчка в наушниках. Они прозвучали несколько раз, но я не осмелился поверить [в это]», - написал Маркони в своем дневнике. «Электрические волны, которые исходили от Полдху, пересекли Атлантику, безмятежно следуя кривизне Земли, что, как говорили мне многие сомневающиеся, станет роковым препятствием».

Эти три коротких пипса привели Маркони к невообразимому коммерческому успеху, породив компанию, которая до сих пор носит его имя (хотя в последнее время катастрофически страдает от дефляции пузыря доткомов). Они также привели бы к обвинениям в плагиате, воровстве и нечестности, с соперниками, утверждающими, что Маркони «вообразил» то, что он слышал, опасаясь того, что неудача будет означать для эксперимента, вложенного в большие деньги.

Маркони никогда не был академическим ученым, которого интересовало только стремление к знаниям, но «деятелем» с острым чувством ценности изобретения. Его патенты и промышленная защита, которую они ему дали, принесли ему состояние, но были источником напряженности для других выдающихся пионеров радио того времени, чей собственный вклад в эту область был омрачен несколько дерзким молодым человеком из Болоньи.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Военно-морской флот - распространение волн
• Основы распространения радиоволн
• Форумы HFRadio Propagation
• Редкая гамма-вспышка возмущала ионосферу
• Статьи о спорадическом распространении радиоволн в диапазоне E и 50 МГц
• Обзор распространения радиоволн Подробная информация о многих формах распространения радиоволн