Trumpos bangos
Trumpos bangos - tai elektromagnetinių bangų diapazonas nuo 3 iki 30 MHz. Šios bangos įprastai sklinda jonosferinių atspindžių pagalba, kurie atsiranda dėl įvairių jonosferos sluoksnių jonizacijos.
Istorija
Italų mokslininkas G. Marconi, vienas iš pirmųjų iškėlęs žinių perdavimo radijo bangomis idėją, po keleto sėkmingų bandymų per La Manšo sąsiaurį nusprendė įgyvendinti tuomet fantastiškai atrodžiusią idėją - susisiekti radijo bangomis per Atlanto vandenyną. Anglijoje, Cornwall grafystės Poldu mieste, jis sukonstravo galingą siųstuvą ir savos konstrukcijos anteną. Po to su savo asistentais Kemp ir Paget nuplaukė į Kanadą ir netoli St. Johns miesto įrengė radijo imtuvą. Sutartu laiku, 1901 m. gruodžio 12 dieną, ausinėse jis išgirdo tris aiškius pyptelėjimus, kurie reiškė "S" raidę ir buvo siunčiami iš Poldu, esančio už 3000 km (tai, be abejo, buvo pirmasis pasaulyje SKED'as). Nors tada G. Marconi ir nežinojo, tačiau ši jo sėkmė buvo įmanoma tik dėl radijo bangų atspindžio nuo elektriškai laidaus viršutinio atmosferos sluoksnio. 1902 m., t.y. po metų nuo G. Marconi sėkmingo bandymo, du mokslininkai - fizikas Heaviside (D. Britanija) ir inž.-elektrikas Kennely (JAV) nepriklausomai vienas nuo kito iškėlė mintį, kad G. Marconi'o transatlantinis radijo ryšys galėjo būti sėkmingas tik dėl atspindžio nuo elektriškai laidžios srities Žemės atmosferoje. Jie taip pat iškėlė mintį, kad ta sritis galbūt atsiranda dėl Saulės įtakos. Tačiau įrodyti, kad taip yra iš tikrųjų, prireikė daugiau kaip dvidešimt metų.
1925 m. anglas E. Appleton, matuodamas siųstuvo spinduliuojamos ir imtuvo priimamos bangos atėjimo kampus, apskaičiavo ir įrodė, kad bangos atsispindi nuo atmosferos sluoksnio, esančio apie 150 km aukštyje. Vėliau buvo eksperimentuojama spinduliuojant vertikaliai aukštyn ir palaipsniui didinant spinduliuojamos bangos dažnį, norint išsiaiškinti kritinį dažnį - aukščiausią vertikaliai spinduliuojamą dažnį, kuris dar sugrįždavo į netoliese esantį imtuvą. Šioje srityje daug darbavosi amerikiečiai Briet ir Tuve. Be kita ko, jie eksperimentuodami įvairiu paros ir metų laiku, įvairiose geografinėse platumose, nustatė, kad kritinis dažnis kinta priklausomai nuo geografinės platumos, metų ir paros laiko. Šie rezultatai sustiprino įsitikinimą, kad atspindinčio sluoksnio savybės priklauso nuo Saulės aktyvumo. Vėlesni matavimai ir skaičiavimai tai visiškai patvirtino.
Jonosferos sandara
Žemės atmosferos viršutiniai sluoksniai - jonosfera susideda iš deguonies, azoto, kai kurių jų darinių, taip pat iš nežymios dalies vandenilio, helio ir kai kurių kitų dujų. Visos šios dujos, kaip ir kitos medžiagos, susideda iš atomų, kurie savo ruožtu susideda iš neigiamo elektros krūvio elektronų, skriejančių aplink teigiamo krūvio atomo branduolį. Tokiu būdu atomas normalioje būsenoje yra elektriškai pusiausvira sistema. Kai toks atomas gauna pakankamą kiekį išorinės energijos, pavyzdžiui, iš ultravioletinių (toliau - UV) spindulių fotono, elektronas gali palikti savo branduolį ir tapti laisvu, o atomas be vieno elektrono taps perteklinį teigiamą krūvį turinčiu jonu. Toks procesas vadinamas jonizacija. Jei bus nutrauktas jonizuojantis poveikis, laisvi elektronai savo kelyje sutiks jonus, kuriems trūksta elektronų, ir bus jų prijungti, atstatant elektrinę pusiausvyrą. Šis procesas vadinamas rekombinacija ir jonosferoje vyksta nakties metu. Kai didžiausią energiją turintys UV spinduliai krenta į atmosferos viršutinius retus sluoksnius, juos stipriai jonizuoja, kartu patys prarasdami didelę dalį savo energijos. Giliau atmosferoje yra daugiau dujų molekulių, tačiau UV spindulių dažnio, kuris sukėlė jonizaciją, energija jau būna per maža jonizacijai sukelti. Kadangi Saulės skleidžiamų UV spindulių dažnių spektras yra labai platus, o dujas jonizuoja skirtingi šio spektro dažniai, aukštyje nuo 50 iki 500 km susiformuoja keletas didelės jonizacijos sluoksnių.
Pirmąjį atrastą jonizuotą sluoksnį E. Appleton pavadino E sluoksniu, po to virš jo esantis sluoksnis gavo F vardą, o vėliau atrastas ir D sluoksnis. Taip, E. Appleton žodžiais tariant, jis paliko ateities mokslininkams pakankamai raidžių, jei jie atrastų naujus sluoksnius virš arba po jau žinomais. Seras R. Watson-Watt, vienas iš E. Appleton bendradarbių ir, tarp kita ko, radaro išradėjų, šių sluoksnių visumą pavadino jonosfera, ir šis terminas prigijo visame pasaulyje, o E. Appleton'ui už nuopelnus tyrinėjant radijo bangų sklidimus Britų Imperija suteikė Sero titulą.
D sluoksnis
Tai žemiausias jonosferos sluoksnis. Jis yra 50-90 km virš Žemės paviršiaus ir egzistuoja tik dienos metu. Nors ir artimiausias mums, jis iki šiol yra mažiausiai ištirtas. Jonizacijos lygis jame yra žemiausias lyginant su kitais sluoksniais ir pasiekia maksimumą vidurdienį, kai Saulė aukščiausiai virš horizonto, o išnyksta tuoj po Saulės laidos. Tik ilgesnės kaip 1 000 m bangos gali atsispindėti nuo jo. Visos kitos per jį praeina, nors dažnai sugeriant didelę jų energijos dalį. Per jonosferines audras D sluoksnio absorbcija gali būti tokia stipri, kad bangos bus visiškai sugeriamos ir nepateks iki F sluoksnio, nuo kurio galėtų būti atspindėtos.
E sluoksnis
Iš karto virš D sluoksnio prasideda E sluoksnis, kuris susiformuoja dienos metu ir yra apie 90-125 km aukštyje. Jo aukštis kinta šiose ribose priklausomai nuo metų laiko. Jonizacija lyginant su D sluoksniu yra žymiai didesnė. Panašiai kaip ir D, jonizacijos maksimumas būna apie vidurdienį, o nakties metu dėl rekombinacijos jo jonizacija sumažėja apie 10 kartų.
F sluoksnis
Svarbiausias TB ryšių užmezgimo požiūriu. Dienos metu jis išsiskirsto į Fl (150-250 km) ir F2 (350-500 km) sluoksniu. Jų aukštis kinta priklausomai nuo metų laiko. Fl, nors ir yra daugiau jonizuotas, taip pat savo jonizacijos maksimumą pasiekia vidurdienį, o po saulėlydžio arba išnyksta, arba susilieja į bendrą F sluoksnį. Skirtingai nei Fl, F2 egzistuoja pastoviai, nes dėl mažos dujų koncentracijos viršutiniuose jonosferos sluoksniuose rekombinacija vyksta lėtai. Ilgiausių naktų metu prarandama iki 60% jonizacijos.
Trumpųjų bangų radijo ryšio optimizavimas
Platus TB dažnių spektras, jei bus išspinduliuotas vertikaliai aukštyn, bus atspindėtas į Žemę atgal. Kaip jau minėta, aukščiausias tokiu būdu grįžtantis dažnis vadinamas jonosferos sluoksnio, nuo kurio įvyko atspindis, kritiniu dažniu. Suprantama, kad ryšiui konkrečiu atstumu naudojamas spinduliavimas ne stačiu, bet nuožulniu kampu. Optimalaus spinduliavimo kampo ryšiui konkrečiu atstumu priklausomybė su atspindžiu nuo Fl, F2 ir E sluoksnių pavaizduota 2 pav. Be to, spinduliavimo kampas vertikalioje plokštumoje daugiausia priklauso nuo antenos konstrukcijos ir jos aukščio virš Žemės paviršiaus. Pastaroji priklausomybė pusės bangos ilgio dipolio antenai pateikta 3 pav. Aukštis matuojamas santykiniais bangos ilgio vienetais.
Pavyzdžiui, 3 el. YAGI antena 0,5 bangos ilgio aukštyje spinduliuoja 11-12 laipsnių į horizontą kampu. Realiai visi ryšiai didesniu kaip 4 000 km atstumu vyksta daugkartinio atspindžio dėka. Praktika įrodė, kad tokiam daugkartinio atspindžio ryšiui tikslinga siekti kuo mažesnių spinduliavimo kampų. Tam galima naudotis ir grafiku, pateiktu 3-ame paveiksle. Taip pat yra nustatytas tiesioginis ryšys tarp kritinio dažnio jonosferos taške, kuriame banga pasiekia atspindintį sluoksnį, ir maksimalaus darbo dažnio. Toliau pateikiamas labai supaprastintas šių dydžių tarpusavio ryšio paaiškinimas.
pav. Dipolio antenos spinduliavimo kampo priklausomybė nuo jos aukščio (bangos ilgiais). Ištisinė linija rodo maksimumus, o brūkšninė minimumus
TRIGONOMETRINIS SANTYKIS. Remiantis 4 paveikslu, ryšys tarp kritinio dažnio ir aukščiausio atspindimo dažnio, spinduliuojamo kampu aįhorizontą, gali būti išreikštas:
f = fo / sina = f csc a (1)
kur fo - kritinis dažnis; f - maksimalus signalo dažnis spinduliuojant kampu į horizontą; a - spinduliavimo į horizontą kampas. (1) formulė gali būti užrašyta ir išvengiant trigonometrijos:
f = f0 sqrt ( d2 / 4h2 ) + 1
kur fo - kritinis dažnis; f - signalo dažnis, kuris bus optimalus ryšiui atstumu D; h - aukštis, kuriame yra f dažnį atspindintis sluoksnis
Iš (1) ir (2) formulių galima padaryti išvadą, kad, žinant kritinį dažnį ir atspindinčio jonosferos sluoksnio aukštį, galima parinkti tinkamiausią dažnį darbui atstumu D.Šis dažnis, lygtyse pažymėtas f, vadinamas maksimaliu naudotinu dažniu (angl. MUF - Maximum Usable Frequency). Radijo banga, naudojama ryšiui su atspindžiu nuo jonosferos, turi būti lygaus ar žemesnio dažnio už MUF. Didinant dažnį link MUF, priimamas signalas stiprės, tačiau jei darbo dažnis viršys MUF, jonosferos jonizacija bus nepakankama, kad atspindėtų radijo bangą atgal į Žemę, ir ji, perskrodusi visą jonosferą, sklis toliau į kosminę erdvę. Kadangi MUF yra tiesiogiai susijęs su kritiniu dažniu, jis lygiai taip pat priklauso nuo jonizacijos lygio ir kinta priklausomai nuo metų ir paros laiko, geografinės platumos ir Saulės aktyvumo periodo. Reikia pabrėžti, kad MUF nepriklauso nuo siųstuvo spinduliuojamos galios.
Trumpųjų bangų slopinimas (absorbcija)
Iki šiol jonosferos sluoksniai buvo minimi kaip bangas atspindintys, tačiau dėl jonizacijos jie ne tik atspindi, bet ir sugeria dalį bangos išspinduliuotos energijos. Radijo bangai patekus į jonosferą, ji dalį savo energijos perduoda sutiktiems elektronams, esantiems toje aplinkoje. Šie pradeda virpėti radijo bangos dažniu f ir, susidurdami su žymiai didesnėmis dujų molekulėmis ir jonais, praranda savo kinetinę energiją. Tai ir yra TB absorbcijos esmė. Dėl jos banga, grįžtanti iš jonosferos, visuomet būna silpnesnė nei spinduliuojama į ją. Tiksliai kiek sugeriama energijos priklauso nuo elektronų susidūrimų su molekulėmis skaičiaus per vieną sekundę. Šis, savo ruožtu, priklauso nuo radijo bangos dažnio ir elektronų bei molekulių tankio. Bendras dėsningumas toks: didėjant bangos dažniui, bangos ilgis mažėja, mažėja ir elektronų susidūrimų su molekulėmis - dėl to ir absorbcija mažesnė. Ji atvirkščiai proporcinga dažnio kvadratui. Jei dažnį padvigubinsime, absorbcija sumažės 4 kartus. T.y. 10 m ilgio radijo banga bus sugeriama 4 kartus mažiau nei 20 m banga. Todėl, esant abiem šiems ruožams "darbingiems", tos pačios kokybės ryšiui užmegzti tuo pačiu atstumu 20 m ruože reikės daug didesnio signalo galingumo nei 10 m ruože.
Nors absorbcija vyksta kiekviename jonosferos sluoksnyje, ji stipriausia D sluoksnyje, ir čia ji kinta nuo pačios mažiausios tamsiu paros metu Saulės aktyvumo minimume iki aukščiausios vidurdienį, Saulės aktyvumo maksimumo metu. TB radijo signalų matavimai, atlikti per paskutiniuosius tris Saulės aktyvumo ciklus, parodė, kad dienos metu 20 MHz dažnyje Saulės aktyvumo minimume absorbcija mažesnė 25% nei aktyvumo maksimume. 10 Mhz dažnyje šis skirtumas jau apie 50%, o 5 MHz dažnyje siekia net 75 procentus. Nakties metu absorbcijos sumažėjimas Saulės aktyvumo minimume mažiau išreikštas ir kinta nuo 25%. aukštesniuose dažniuose iki 50% žemesniuose. Išvada gali būti viena: nėra geresnio momento tolimųjų ryšių užmezgimui žemuose diapazonuose kaip naktis Saulės aktyvumo minimumo metu, nes sumažėjusi absorbcija - vadinasi stipresni signalai, ypač 40, 80 ir 160 m diapazonuose.
ŽEMIAUSIAS GALIMAS DARBO DAŽNIS (angl. LUF - Lowest Usable Frequency) tarp dviejų konkrečių taškų nusakomas kaip dažnis, kuriame priimamas signalas yra minimalaus stiprumo patenkinamos kokybės ryšiui. Skirtingai nuo MUF, LUF priklauso ir nuo siųstuvo efektyviai spinduliuojamo galingumo. Be to jis priklauso nuo imtuvo charakteristikų, triukšmų (daugiausia elektrostatinės kilmės) imtuvo aplinkoje.
EFEKTYVIAI SPINDULIUOJAMAS GALINGUMAS (angl. Effective Radiated Power - ERP). Jis naudotinas visiems LUF skaičiavimams ir gali būti nusakomas kaip siųstuvo galingumo ir antenos stiprinimo duota kryptimi pusbangio dipolio atžvilgiu sandauga. Žinoma, siųstuvo galingume turi atsispindėti slopinimas fideryje.
Minimalus signalo lygis radijo ryšio užmezgimui priklauso nuo triukšmo lygio imtuvo aplinkoje ir darbo rūšies. Daugiausia sunkumų dirbant dažniais, artimais LUF, sukelia statiniai ir atmosferiniai triukšmai. Patenkinamam CW signalų priėmimui užtenka 3:1 signalo/triukšmo santykio. SSB signalui priimti, kai juostos plotis 3 kHz, reikia 7:1 signalo/triukšmo santykio, o DSB 6 kHz pločio signalui reikėtų net 15:1 santykio.
Kadangi MUF ir LUF yra tikimybiniai dydžiai, tikimybė, kad apskaičiuotasis MUF (ar LUF) atitiks realų 50% dienų per mėnesį. MUF padauginę iš 0,85, gausime optimalų darbo dažnį (angl. OWF - Optimum Workable Frequency, kitoje literatūroje FOT - Frequency) ir jis pasiteisins 90 procentų dienų per mėnesį. MUF padauginę iš 1,15 gautume aukščiausią įmanomą darbo dažnį (angl. HPF - Highest Possible Frequency). Jis nuo jonosferos atsispindėtų ne dažniau kaip 10% dienų per mėnesį.