§ 131. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН И РАДИОСВЯЗЬ

Условия радиосвязи на нашей планете определяются строением и составом атмосферы, гидросферы и верхних слоев литосферы.

Атмосферу принято делить на четыре слоя. Толщина нижнего слоя — тропосферы — уменьшается с широтой от 16—18 км в

тропиках до 8—10 км в полярных широтах. В тропосфере с высотой падают температура и плотность воздуха (примерно втрое на толщине слоя). Выше, до высоты 50—55 км, расположена стратосфера, где температура примерно постоянна или растет с высотой, а плотность падает. Над стратосферой лежит мезосфера, верхняя граница которой примерно 85 км. Именно в этом слое находится плазменный пояс — ионосфера. Самый верхний слой — термосфера, где температура растет с высотой (от —90°С на нижней границе), пока не выходит на постоянное значение порядка 1—2 тыс. град на высоте 400 км.

Говоря о дальности распространения радиоволн, мы не будем пользоваться какими-либо точными определениями этого понятия. Приводимые цифры соответствуют по порядку величины освоенным для современного уровня развития радиотехники (мощность передатчиков и чувствительность приемников) расстояниям, на которых осуществляется устойчивая радиосвязь.

Излучение с длиной волны больше поглощается ионосфе рой и почти не отражается ею. Поэтому волны СДВ, ДВ и пазонов распространяются в «коридоре» между поверхностью ли и ионосферой, затухая из-за потерь и рассеяния в тропосфер! и проводящих слоях литосферы и дифрагируя (больше или меныш в зависимости от длины волны) на возвышениях местности и ризонте».

Сверхдлинные волны имеют еще одну особенность — из-за низ кой частоты они хорошо проходят «сквозь Землю». Действительно удельное сопротивление поверхностных слоев Земли довольно велико — от единиц до нескольких тысяч ом-метров у осадочных пород и от сотен до сотен тысяч ом-метров у магнетических и метаморфических (граниты, базальты и т. пород. Соответственно скин-слой для волны с частотой, например, км) лежит в пределах от нескольких десятков метров до нескольких километров. Дальность распространения СДВ порядка нескольких тысяч километров. На заре радиотехники дальняя радиосвязь осуществлялась на длинных и сверхдлинных волнах и были построены антенны радиотелеграфной связи Европа — Америка на волнах около 16 км. В наше время СДВ диапазон используется, главным образом, для связи с подводными лодками — лодка ложится на грунт и принимает радиосигнал, распространяющийся сквозь толщу Земли. Такая радиосвязь действовала во время второй мировой войны (волны 15—20 км). Со временем этот способ получил развитие. В частности, обнаружено явление «каналирования» СДВ естественными волноводами, образующимися в приповерхностных слоях литосферы из-за скачков плотности пород. Кроме того, шагнула вперед и радиотехника. В начале 80-х годов, например, в США разработана система связи на частотах 20 — 60 Гц (длина волны 15 — 45 тыс. для которых толщина скин-слоя в морской воде (удельное сопротивление 0,3 Ом составляет 60-35 м, что позволяет лодке вести радиоприем в подводном положении. Конечно, поток информации на таких частотах очень мал, и возможна лишь телеграфная связь, но куда спешить, если лежишь на грунте!

Еще одно применение СДВ — геофизика, зондирование земной коры радиоволнами. Впечатляющий эксперимент такого рода был осуществлен в СССР в 1977 г., когда в качестве излучателя использовалась естественная петля, охватившая п-ова Средний и Рыбачий в Баренцевом море. В морскую воду опустили электроды, соединенные кабелем, проложенным через перешеек этих полуостровов, и подали на эту петлю (площадь 5 тыс. км2) импульс тока. В результате удалось «просветить» Кольский полуостров и часть Карелии. В таком зондировании достигнута глубина порядка 50 км.

Длинные и средние волны используются в основном для радиовещания, а средние волны — еще и для коммерческой, т. е. деловой, технической радиосвязи. Дальность радиосвязи в этих диапазонах порядка 1 тыс. км.

Короткие волны в принципе не имеют ограничений по дальности распространения, так как они хорошо отражаются ионосферой и возвращаются на Землю. Любопытно, что для дальней радиосвязи короткие волны стали применяться только в конце 20-х годов, когда особенность их распространения была обнаружена... радиолюбителями. Из-за «тесноты в эфире» в ДВ и СВ диапазонах радиолюбителей вытеснили в КВ, где совершенно неожиданно их голоса стали слышны по всей планете. Об этом факте интересно рассказал в своих воспоминаниях замечательный советский радист-полярник Э. Кренкель. Ему, в частности, удавалось с дрейфующей станции «Северный полюс» (1937 г.), располагавшей передатчиком мощностью всего лишь 20 Вт, связываться с радиолюбителями Австралии и Новой Зеландии!

По мере развития техники возникает все большая теснота в эфире. Телевидение только усугубило эту проблему, так как для передачи телевизионного, особенно цветного, изображения требуется очень широкая полоса частот — около 6 МГц (см. задачу 1,. § 79). Поэтому современная радиосвязь, не забывая хорошо опробованные «старые» методы, все больше развивается в сторону УКВ диапазона.

Ультракороткие волны слабо поглощаются и отражаются ионосферой. Поэтому в основном радиосвязь в УКВ диапазоне работает в пределах «прямой видимости».

Все большее место в наземной дальней радиосвязи занимают релейные линии (от англ. relay — замена). Они представляют собой систему приемно-передающих (ретрансляционных) станций, отстоящих одна от другой на расстояния, величина которых определяется типом линий. В линиях прямой видимости — это расстояния в 50—100 км; приемная и передающая антенны-зеркала ретрансляционных станций устанавливаются на высоких мачтах или башнях, так что антенна одной станции находится в прямой видимости другой. В СССР эти линии в основном используют диапазоны 7—9 см и 13—20 см, реже 0,75-3 м. Мощность передатчиков не более 10 Вт. Эти линии используются для телефонной, телеграфной связи и передачи телевизионных программ. Одна

линия обслуживает одновременно до 600 каналов благодаря широкой полосе частот, в которой ведется связь. Укажем, что в США уже к 1966 г. радиорелейные линии прямой видимости обеспечивали 40% всей междугородной телефонной сети.

Тропосферные радиорелейные линии используют для своей работы эффект рассеяния УКВ на неоднородностях тропосферы на высоте 10—12 км. Расстояние между ретрансляционными станциями в этих линиях 150—500 км, работают они на излучении с длиной волны от 3 см до а передатчики отличаются значительной мощностью — до сотен киловатт. Именно этот уровень мощности в сочетании с чувствительной приемной радиоаппаратурой и позволил реализовать такой экзотический, на первый взгляд, способ радиосвязи. Для ретрансляционных станций обычно используются параболические зеркальные антенны.

Аналогично действуют ионосферные радиорелейные линии. В этих линиях используются радиоволны метрового диапазона — от 4 до что определяется отражательными и рассеивающими свойствами ионосферы. Расстояния между станциями этого типа достигают 2 тыс. км, причем расстояния короче 700—900 км оказываются неэффективными. Мощность передатчиков в таких линиях 50-100 кВт, антенны — сложные директорные, остронаправленные. Примером такой линии связи является действующая с 1957 г. система, связывающая Англию и США (4500 км) через три промежуточные станции (п-ов Лабрадор, Гренландия, Исландия). Тропосферные и ионосферные линии связи отличает высокая помехоустойчивость.

И все же наиболее современным видом дальней связи являются спутниковые линии связи. Действующая в Советском Союзе система «Орбита» обслуживается спутниками связи «Молния», которые выводятся на орбиту с апогеем 40,6 тыс. км в Северном полушарии и перигеем 653 км в Южном полушарии. Наклонение орбиты к плоскости экватора — 62,8°, период обращения спутника — При этом на каждом нечетном витке (отсчет от старта) апогей находится над территорией СССР, и спутник в течение обеспечивает связь по всей территории Европы и Азии. На четном витке апогей находится над Северной Америкой, и спутник в течение позволяет осуществлять связь между европейской частью СССР и Северной и Центральной Америкой. Бортовой передатчик спутника обладает мощностью работает на двух частотах лежащих внутри диапазона . Приемник спутника рассчитан на уровень мощности входного сигнала не менее 10-9 Вт и имеет другие частоты из того же диапазона, но отличающиеся от что необходимо для отстройки от взаимных помех сигналов. Приемник и передатчик питаются от солнечных батарей и работают на общую параболическую антенну. Спутник имеет систему ориентации. Приемная наземная станция системы «Орбита» (см. рис. XXI. 17) имеет антенну диаметром которая рассчитана на работу без ветрозащитного

устройства до скоростей ветра 25 м/с в температурном диапазоне ± 50 °С.

Другой разновидностью спутниковых линий связи является так называемая глобальная, которую обслуживают три спутника, равномерно отстоящие друг от друга на круговой геостационарной, или синхронной, орбите радиусом 35,7 тыс. км в плоскости экватора. Период обращения таких спутников 24 ч, так что они зависают над одной и той же точкой Земли и «освещают» 98% площади планеты (до широт 76,5°). В СССР спутники связи на геостационарной орбите работают с конца 1976 г. — спутники серии «Экран» (более позднее название «Радуга»), Они обеспечивают передачу цветных программ Центрального телевидения на районы Сибири и Монголии, а с 1983 г. обслуживают также систему телевидения Индии. Спутник висит над экватором на долготе 99° (меридиан, проходящий через о. Суматра и посредине между Красноярском и Иркутском). Интересно, что система связи «Экран» позволяет принимать передачи ЦТВ на индивидуальные телевизионные установки «Экран что важно для малонаселенных районов.

Система «Орбита» была в свое время первой из наиболее разветвленных национальных систем космической связи. Свое вещание в рамках «Интервидения» она ведет и на зарубежные страны. Другой крупнейшей мировой системой космической связи является созданная под эгидой США система «Интелсат», которую обслуживают спутники как с наклонными, так и с геостационарными орбитами.

Рекордными по дальности можно считать системы связи с космическими кораблями. В эксперименте со станциями «Венера» управление последними при посадке осуществлялось с Земли, а изображение поверхности планеты и информация о параметрах ее атмосферы были переданы на Землю. Другой пример сверхдальней радиосвязи (свыше 1 млрд. км) — управление американскими космическими кораблями «Вояджер» при их полете к Сатурну и передача на Землю поразительно сложной структуры колец этой планеты.