电离层在远程无线电通信中的作用。方案、说明

电离层在远程无线电通信中的作用。无线电电子电气工程百科全书

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仅由于地球大气层上部存在反射层，长距离无线电传输才成为可能。这些层的形成是因为阳光中的紫外线将一些气体分子分裂成带正电的粒子（离子）和电子。这样的过程称为电离，大气的电离区域通常称为电离层。无线电波，穿透进入电离层，被折射，并且在足够电离的情况下，可以返回地球。图1显示了三种可能的情况在电离层中引入无线电波，具体取决于电离程度。在“a”情况下，电离很弱，电波穿过电离层时仅略微弯曲其路径。

米。 1（点击放大）

在情况b中，电离足以使波被反射并返回地面，最后，在情况c中，电离太强以致于波被完全吸收。

电离层在远程无线电通信中的作用
图。 2

上图。图2显示了长度分别为20米和10米且具有一定程度电离的两个无线电波的路径。长度为20米的波（实线）从电离层反射并返回地球，（长度为10米的波（虚线）仅在一层中稍微弯曲并进入行星际空间。所有波都更长20米以下也会被反射，10米以下的波会穿透电离层。发射频率越低，反射的概率越大，电离层内电离越强，反射的频率仍会越高。

寂静区

无线电波落在电离层上的角度至关重要。当电离不足以反射以“大角度”入射的波时，就会出现静默区，但是，以小角度入射的波将被反射。如图 3 所示，所有以大于某个临界角度的角度从天线辐射的波角度，穿过该层，以较小角度发射的波返回地面。

电离层在远程无线电通信中的作用
图。 3

在静默区之前，由于表面波的原因，只能在发射器附近听到信号。

经常观察到，在 A 点入射到地球上的光束从其表面反射，再次撞击该层，再次反射并在 B 点返回地球。这种类型的两次、三次和多次反射经常发生高频传输，尤其是长距离传输。上图。从图3可以看出，信号经过一次反射也能到达B点。如果到达 B 点的两个信号的强度大致相同，则可能会因干扰而发生非常强的衰落。

通过静默区的宽度，仅听其中一种音域，就可以大致判断出不同音域的电波通过的情况。假设在 20 米范围内您可以听到距离仅 200 公里的电台。这表明，通过这种电离，10 米外的信号也可能返回地球。确实，在这些频率下，静默区可能会延伸至 2000 公里。如果20米的波浪有一个非常狭窄的死区，那么40米的波浪就没有寂静区。

当静默区延伸很长一段距离时，我们只能听到远处的电台。随着电离度的增加，它会变窄，附近的站点将开始出现。在这种情况下，我们将因为两个原因开始失去遥远的电台。首先，它们会被附近大声的电台堵塞，其次，高电离会导致吸收来自在电离区域长途传播的远处电台的信号。死区越宽，工作频率越高，远距离通信的可能性就越大。

由于大气上层的电离是由太阳辐射引起的，因此短波在夜间和白天通过的条件会截然不同。例如，考虑正常冬日期间通信条件的变化。日出前的清晨，电离作用非常弱。在这种情况下，10米范围内将完全消失，而在20米范围内你只能听到几个很远的电台。然而，对于较低频率，电离对于正常操作来说就足够了。所以，40米的波浪有良好的远距离通信条件，160米的波浪也能很好地通过。随着太阳升起，电离开始迅速增加，并在下午达到最大值。随着中午的临近（所有波段的死区都会变窄，日出后大约两小时，电离足以反射10米波段的波。中午左右，20米波段将充满相对较近的电台，而在中午时分，10米波段将充满相对较近的电台，此时可以进行XNUMX米远距离通信。日落之后，电离度会降低，中性原子和分子开始反向还原。

每个范围的静默区都会逐渐扩大。首先，将停止接收 10 米的波浪，然后停止接收 20 米的波浪。

磁暴

在某些日子里，可以通过无线电接收观察到，与平常相比，该范围内的业余电台数量急剧减少，所有信号都大大减弱，许多不断听到的电台消失了，而新的电台（大多是遥远的电台）以前从未收到过，出现。这些现象是由磁暴引起的，在磁暴中，通常相当稳定的地球磁场发生了强烈的变化。磁暴总是伴随着电离的减少。结果，静默区扩大，夜间传播条件可以持续一整天。在磁暴期间，高频段的电台通常比平常更早消失。中午前后距离为20米，有良好的长距离通讯条件，而平日这段时间只能在2000公里以内的距离工作。磁暴持续一到几天。此时发生的电离层扰动导致显着的衰落并伴有许多失真。

短距离通信通常会中断，为了工作，必须切换到更长的电波。

反射层和异常电离

电离层通常由几个电离层组成。其中E层和F层对无线电波的传播作用最大，E层距地球表面的高度约为100公里，F层为220-240公里。这些层完全不受地球表面附近天气的影响。

白天F层分为F1、F2两层；其中第一个位置比第二个稍低一些。 F2层的电离性比F1和E层更强，在短波传输中起着很大的作用。足够高频的信号，穿透中等电离的E和F1层，被更强电离的F2层反射，如图4所示，对于较低频率，E层很重要，160米处的大多数通信都是由于该层的反射。

电离层在远程无线电通信中的作用
图。 4

在E层中，偶尔会出现电离非常强烈的区域，称为异常E层，E层异常电离随时可能发生，且原因不明。在异常电离的情况下，E层可以引起波在5米和10米处反射。

另一种异常现象称为“德林格效应”，它是指地球照明部分的短波通信完全中断。德林格效应的原因似乎是太阳的喷发，它导致电离层下部的电离度大幅增加。结果，短无线电波被吸收。这时，有时可以通过超短波进行远距离通信。德林格效应可以持续几分钟甚至几小时。

季节性变化

F2 层的电离在冬季达到最大值，每天的最大值出现在下午。这意味着最窄的盲区将出现在冬日中午之后，此时可以在非常高的频率（例如 10 米的波浪）上进行可靠的通信。在夏季，电离作用不如冬季那么显着，并且该层的每日最大值在日落时移动。因此，对于夏季10米的波浪，静默区会更宽，并且这些波浪上的通信通常是不可能的。由于夏季 20 米和 40 米海浪的静默区增加，人们可以预期长距离通信的条件会得到改善，但在数千公里的距离上，由于光照和黑暗区域的比例，情况变得复杂起来。全球。当跨越赤道传输时，链路一端可能盛行夏季条件，而另一端则盛行冬季条件。远距离通讯的最佳条件是春季和初秋。春季和夏季，E层异常反射明显增多，这些反射可为5米、10米外长达数小时的远距离通信提供良好的条件。从冬季条件到夏季条件的转变并不顺利，反之亦然。春季和秋季的特点是电离层处于不稳定状态。对于经常练习 10 米频段的业余爱好者来说，这一点尤其明显。

临界频率

临界频率是当信号以直角入射到给定层时仍能从给定层反射的最高频率。如果信号以直角反射，它也会以所有其他角度反射，因此在低于临界频率的所有频率上都不会出现静区。临界频率表示各层的电离程度，可用于预测“无线电天气”、选择最有利于通信的电波、计算静默区的长度等。临界频率是在电离层站测量的。苏联有几个这样的站，其中一个位于法兰士约瑟夫地群岛的蒂哈亚湾，是世界上最北的电离层站。

过去3-4年，10米、5米的长距离通信比以前多了很多。一方面，这是由于在这些频段工作的业余无线电爱好者数量急剧增加，另一方面，也是由于太阳黑子活动 11 年周期的影响。大气的电离程度与太阳黑子的数量密切相关；一年中观察到的斑点越多，电离程度就越大。太阳黑子长期以来一直是一个物体（天文学家的观测，自 1750 年起就定期保存其数量记录。这些记录表明，太阳黑子的数量通常每 11 年达到一个最大值。最后一次最大值是在 1939 年和 1940 年。平均过去五年的电离水平逐年增加，因此能够反射的频率越来越高。10/5年冬季在1940米和41米波上进行通信的条件已经比他们差了一些是在 1939/40 年。这些波浪上的可用时间将会减少，这些波段上的活动将在 1944 年或 1945 年达到低谷。到那时，20m 波段上的情况将与去年在 10 米波段上看到的情况类似，并且40米频段将再次适用于长距离通信。

VHF 上的长时间通信

超短波的频率太高，无法从F2层反射。如果观察到这种反射，它们会发生在电离度非常高的时期，例如太阳黑子最大值期间，并且会发生在信号以非常钝角进入该层时的长距离传输期间。过去几年在美国夏季观察到的 5 米波段中的许多链接都是通过 E 层的异常电离来解释的。

这些联系大部分发生在晚上。电离层测量表明，夏季异常E层常在早晨日出前和傍晚形成，其面积有时只有几平方公里。因此，VHF 通信只能在非常有限的点之间进行。然而，如果不同地区同时有许多这样的站点，VHF 上的通信条件可能会相当好。

作者：B. Khitrov

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