В радиосвязи , skywave или skip относится к распространению радиоволн , отраженных или преломленных обратно к Земле от ионосферы , электрически заряженного слоя верхней атмосферы . Поскольку оно не ограничено кривизной Земли, распространение skywave может использоваться для связи за горизонтом , на межконтинентальных расстояниях. Оно в основном используется в коротковолновых диапазонах частот .
В результате распространения небесной волны сигнал от удаленной AM-радиовещательной станции, коротковолновой станции или — в условиях спорадического распространения E (в основном в летние месяцы в обоих полушариях) — удаленной VHF FM или телевизионной станции иногда может быть принят так же четко, как и местные станции. Большая часть дальней коротковолновой ( высокочастотной ) радиосвязи — между 3 и 30 МГц — является результатом распространения небесной волны. С начала 1920-х годов радиолюбители (или «хамы»), ограниченные меньшей мощностью передатчика, чем вещательные станции , использовали небесную волну для дальней (или « DX ») связи.
Распространение радиоволн по прямой линии отличается от распространения по прямой линии , при котором радиоволны распространяются по прямой линии, и от распространения вне прямой линии .
Передачи на основе пространственных волн могут использоваться для дальней связи (DX) с помощью волн, направленных под малым углом, а также для относительно локальной связи с помощью почти вертикально направленных волн ( пространственные волны с почти вертикальным падением – NVIS ).
Ионосфера — это область верхней атмосферы , примерно от 80 км (50 миль) до 1000 км (600 миль) в высоту, где нейтральный воздух ионизируется солнечными фотонами , солнечными частицами и космическими лучами . Когда высокочастотные сигналы входят в ионосферу под малым углом, они отклоняются обратно к Земле ионизированным слоем. [1] Если пиковая ионизация достаточно сильна для выбранной частоты, волна выйдет из нижней части слоя в сторону Земли — как будто косо отразившись от зеркала. Затем поверхность Земли (земля или вода) отражает нисходящую волну обратно вверх к ионосфере.
При работе на частотах чуть ниже максимально используемой частоты потери могут быть довольно малыми, поэтому радиосигнал может эффективно «отскакивать» или «перескакивать» между Землей и ионосферой два или более раз (многоскачковое распространение), даже следуя кривизне Земли. Следовательно, даже сигналы мощностью всего в несколько ватт иногда могут быть приняты на расстоянии многих тысяч миль. Это то, что позволяет коротковолновым передачам распространяться по всему миру. Если ионизация недостаточно велика, волна лишь слегка изгибается вниз, а затем вверх, когда пик ионизации пройден, так что она выходит из верхней части слоя лишь слегка смещенной. Затем волна теряется в пространстве. Чтобы предотвратить это, необходимо выбрать более низкую частоту. С одним «скачком» можно достичь расстояния до 3500 км (2200 миль). Более длительные передачи могут происходить с двумя или более скачками. [2]
Небесные волны, направленные почти вертикально, называются небесными волнами почти вертикального падения ( NVIS ) . На некоторых частотах, как правило, в области нижних коротких волн , небесные волны с высоким углом будут отражаться прямо обратно к земле. Когда волна возвращается на землю, она распространяется по широкой области, обеспечивая связь в пределах нескольких сотен миль от передающей антенны. NVIS обеспечивает локальную и региональную связь, даже из низменных долин, на большую территорию, например, целый штат или небольшую страну. Покрытие аналогичной области с помощью передатчика VHF прямой видимости потребует очень высокого расположения на вершине горы. Таким образом, NVIS полезен для сетей в масштабе штата, например, тех, которые необходимы для экстренной связи. [3] В коротковолновом вещании NVIS очень полезен для региональных передач, которые нацелены на область, которая простирается от местоположения передатчика на несколько сотен миль, например, в случае страны или языковой группы, которую необходимо охватить из границ этой страны. Это будет намного экономичнее, чем использование нескольких FM (VHF) или AM вещательных передатчиков. Подходящие антенны разработаны для создания сильного лепестка под большими углами. Когда ближняя ионосферная волна нежелательна, например, когда AM вещатель хочет избежать помех между земной волной и ионосферной волной, используются антизатухающие антенны для подавления волн, распространяющихся под большими углами.
Для каждого расстояния, от локального до максимального расстояния передачи (DX), существует оптимальный угол «взлета» для антенны, как показано здесь. Например, используя слой F ночью, чтобы наилучшим образом достичь приемника на расстоянии 500 миль, следует выбрать антенну с сильным лепестком на высоте 40 градусов. Также можно увидеть, что для самых больших расстояний лучше всего подходит лепесток на низких углах (ниже 10 градусов). Для NVIS оптимальными являются углы выше 45 градусов. Подходящими антеннами для больших расстояний будут высокие Yagi или ромбические; для NVIS — диполь или массив диполей примерно на 0,2 длины волны над землей; а для промежуточных расстояний — диполь или Yagi примерно на 0,5 длины волны над землей. Вертикальные диаграммы направленности для каждого типа антенны используются для выбора подходящей антенны.
На любом расстоянии небесные волны будут затухать. Слой ионосферной плазмы с достаточной ионизацией (отражающая поверхность) не фиксирован, а волнист, как поверхность океана. Различная эффективность отражения от этой изменяющейся поверхности может привести к изменению силы отраженного сигнала, вызывая « затухание » в коротковолновых трансляциях. Еще более серьезное затухание может произойти, когда сигналы приходят по двум или более путям, например, когда и односкачковые, и двухскачковые волны интерферируют друг с другом, или когда сигнал небесной волны и сигнал земной волны приходят примерно с одинаковой силой. Это наиболее распространенный источник затухания с сигналами ночного AM-вещания. Затухание всегда присутствует с сигналами небесной волны и, за исключением цифровых сигналов, таких как Digital Radio Mondiale, серьезно ограничивает точность коротковолновых трансляций.
Сигналы VHF с частотами выше примерно 30 МГц обычно проникают в ионосферу и не возвращаются на поверхность Земли. E-skip является заметным исключением, когда сигналы VHF, включая FM-вещание и сигналы VHF TV, 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 длиннее 30 метров), включая вещание в диапазонах средних и коротких волн (и в некоторой степени длинных волн ), распространяются наиболее эффективно с помощью небесной волны ночью. Частоты выше 10 МГц (длины волн короче 30 метров) обычно распространяются наиболее эффективно днем. Частоты ниже 3 кГц имеют длину волны больше, чем расстояние между Землей и ионосферой. Максимальная используемая частота для распространения небесной волны сильно зависит от количества солнечных пятен .
Распространение небесных волн обычно ухудшается – иногда серьезно – во время геомагнитных бурь . Распространение небесных волн на освещенной солнцем стороне Земли может быть полностью нарушено во время внезапных ионосферных возмущений .
Поскольку нижние слои ионосферы ( в частности, слой E ) ночью в значительной степени исчезают, рефракционный слой ионосферы ночью находится намного выше над поверхностью Земли. Это приводит к увеличению расстояния «скачка» или «прыжка» небесной волны ночью.
Радиолюбителям приписывают открытие распространения небесных волн на коротких волнах. Ранние службы дальней связи использовали распространение земных волн на очень низких частотах , [4] которые ослабевают по пути. Более длинные расстояния и более высокие частоты при использовании этого метода означали большее ослабление сигнала. Это, а также трудности генерации и обнаружения более высоких частот, затруднили открытие распространения коротких волн для коммерческих служб.
Радиолюбители провели первые успешные трансатлантические испытания, используя волны короче тех, что используются коммерческими службами [5] в декабре 1921 года, работая в диапазоне средних волн 200 метров (1500 кГц) — самой короткой длине волны, доступной тогда любителям. В 1922 году сотни североамериканских любителей были услышаны в Европе на 200 метрах, и по крайней мере 30 североамериканских любителей слышали любительские сигналы из Европы. Первая двусторонняя связь между североамериканскими и гавайскими любителями началась в 1922 году на 200 метрах.
Экстремальные помехи на верхнем краю диапазона 150-200 метров — официальные длины волн, выделенные любителям Второй национальной радиоконференцией [6] в 1923 году — вынудили любителей переходить на все более короткие длины волн; однако любители были ограничены правилами длинами волн более 150 метров (2 МГц). Несколько счастливчиков-любителей, получивших специальное разрешение на экспериментальную связь ниже 150 метров, провели сотни дальних двусторонних контактов на 100 метрах (3 МГц) в 1923 году, включая первые трансатлантические двусторонние контакты [7] в ноябре 1923 года на 110 метрах (2,72 МГц)
К 1924 году многие дополнительные специально лицензированные любители регулярно проводили трансокеанские контакты на расстояниях 6000 миль (~9600 км) и более. 21 сентября несколько любителей в Калифорнии провели двустороннюю связь с любителем в Новой Зеландии. 19 октября любители в Новой Зеландии и Англии провели 90-минутную двустороннюю связь почти на полпути вокруг света. 10 октября Третья национальная радиоконференция предоставила американским любителям [8] три коротковолновых диапазона : 80 метров (3,75 МГц), 40 метров (7 МГц) и 20 метров (14 МГц). Они были распределены по всему миру, в то время как 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.
Гульельмо Маркони был первым, кто показал, что радио может общаться за пределами прямой видимости, используя отражательные свойства ионосферы. 12 декабря 1901 года он отправил сообщение на расстояние около 2200 миль (3500 км) со своей станции передачи в Корнуолле , Англия, в Сент-Джонс , Ньюфаундленд (ныне часть Канады ). Однако Маркони считал, что радиоволны следуют за кривизной Земли — отражательные свойства ионосферы, которые позволяют «небесным волнам», еще не были поняты. Скептицизм со стороны научного сообщества и его конкурентов по проводному телеграфу заставил Маркони продолжить эксперименты с беспроводной передачей и связанными с этим деловыми начинаниями в течение следующих нескольких десятилетий. [10]
В июне и июле 1923 года передачи Гульельмо Маркони с земли на корабль были завершены ночью на 97 метрах от станции Poldhu Wireless Station , Корнуолл , на его яхту Ellette на островах Зеленого Мыса . В сентябре 1924 года Маркони передавал днем и ночью на 32 метрах от Poldhu на свою яхту в Бейруте. В июле 1924 года Маркони заключил контракты с британским Главным почтамтом (GPO) на установку высокоскоростных коротковолновых телеграфных цепей из Лондона в Австралию, Индию, Южную Африку и Канаду в качестве основного элемента Имперской беспроводной цепи . Коротковолновая «Beam Wireless Service» из Великобритании в Канаду вступила в коммерческую эксплуатацию 25 октября 1926 года. Beam Wireless Services из Великобритании в Австралию, Южную Африку и Индию вступили в эксплуатацию в 1927 году.
Для дальней связи в коротковолновом диапазоне доступен гораздо больший спектр, чем в длинноволновом; а коротковолновые передатчики, приемники и антенны были на порядки дешевле, чем передатчики мощностью в несколько сотен киловатт и гигантские антенны, необходимые для длинноволнового диапазона.
Коротковолновая связь начала быстро расти в 1920-х годах, [11] подобно Интернету в конце 20-го века. К 1928 году более половины дальней связи перешли от трансокеанских кабелей и длинноволновых беспроводных служб к коротковолновой «пропущенной» передаче, а общий объем трансокеанской коротковолновой связи значительно увеличился. Короткие волны также положили конец необходимости многомиллионных инвестиций в новые трансокеанские телеграфные кабели и массивные длинноволновые беспроводные станции, хотя некоторые существующие трансокеанские телеграфные кабели и коммерческие длинноволновые станции связи продолжали использоваться до 1960-х годов.
Кабельные компании начали терять большие суммы денег в 1927 году, и серьезный финансовый кризис поставил под угрозу жизнеспособность кабельных компаний, которые были жизненно важны для стратегических интересов Британии. Британское правительство созвало Imperial Wireless and Cable Conference [12] в 1928 году «для изучения ситуации, возникшей в результате конкуренции Beam Wireless с Cable Services». Она рекомендовала и получила одобрение правительства на объединение всех заграничных кабельных и беспроводных ресурсов Империи в одну систему, контролируемую недавно созданной в 1929 году компанией Imperial and International Communications Ltd. Название компании было изменено на Cable and Wireless Ltd. в 1934 году.
{{cite magazine}}: Cite журнал требует |magazine=( помощь )