В радиосвязи небесная волна или пропуск относится к распространению радиоволн , отраженных или преломленных обратно к Земле из ионосферы , электрически заряженного слоя верхних слоев атмосферы . Поскольку распространение космических волн не ограничено кривизной Земли, их можно использовать для связи за горизонтом , на межконтинентальных расстояниях. Чаще всего он используется в коротковолновых диапазонах частот.
В результате распространения ионосферной волны сигнал от удаленной радиовещательной станции AM , коротковолновой станции или – в условиях спорадического распространения E (в основном в летние месяцы в обоих полушариях) – удаленной ОВЧ- ЧМ- или телевизионной станции иногда может быть принят как явно как местные станции. Большая часть коротковолновой ( высокочастотной ) радиосвязи на большие расстояния – от 3 до 30 МГц – является результатом распространения космических волн. С начала 1920-х годов радиолюбители (или «любители»), ограниченные более низкой мощностью передатчика, чем радиовещательные станции , использовали небесную волну для связи на большие расстояния (или « DX »).
Распространение небесной волны отличается от распространения по прямой видимости , при котором радиоволны распространяются по прямой линии, и от распространения вне прямой видимости .
Передача небесных волн может использоваться для связи на большие расстояния (DX) с помощью волн, направленных под небольшим углом, а также для относительно локальной связи с помощью почти вертикально направленных волн ( небесные волны почти вертикального падения - NVIS ).
Ионосфера — это область верхних слоев атмосферы на высоте от 80 км (50 миль) до 1000 км (600 миль) над уровнем моря, где нейтральный воздух ионизируется солнечными фотонами , солнечными частицами и космическими лучами . Когда высокочастотные сигналы входят в ионосферу под небольшим углом, они отклоняются назад к Земле ионизированным слоем. [1] Если пик ионизации достаточно силен для выбранной частоты, волна выйдет из нижней части слоя в сторону земли – как если бы она косо отразилась от зеркала. Поверхность Земли (земля или вода) затем снова отражает нисходящую волну обратно в сторону ионосферы.
При работе на частотах чуть ниже максимально используемой частоты потери могут быть весьма небольшими, поэтому радиосигнал может эффективно «отскакивать» или «пропускать» между Землей и ионосферой два или более раза (многоскачковое распространение), даже следуя кривизне. земли. Следовательно, даже сигналы мощностью всего в несколько ватт иногда можно принять на расстоянии многих тысяч миль. Именно это позволяет коротковолновому радиовещанию распространяться по всему миру. Если ионизация недостаточно велика, волна лишь слегка изгибается вниз, а затем вверх по мере прохождения пика ионизации, так что она выходит из верхней части слоя лишь слегка смещенной. Затем волна теряется в пространстве. Чтобы этого не произошло, необходимо выбрать более низкую частоту. За один «прыжок» можно преодолеть расстояние до 3500 км (2200 миль). Более длинные передачи могут происходить с двумя или более переходами. [2]
Небесные волны, направленные почти вертикально, называются небесными волнами почти вертикального падения ( NVIS ) . На некоторых частотах, обычно в нижней коротковолновой области, небесные волны под большим углом будут отражаться прямо обратно к земле. Когда волна возвращается на землю, она распространяется на большую территорию, позволяя осуществлять 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. Для покрытия аналогичной территории с помощью УКВ-передатчика прямой видимости потребуется расположение на очень высокой вершине горы. Таким образом, NVIS полезен для сетей штата, например, тех, которые необходимы для экстренной связи. [3] В коротковолновом радиовещании NVIS очень полезен для региональных передач, нацеленных на территорию, простирающуюся от места расположения передатчика на несколько сотен миль, например, в случае страны или языковой группы, доступ к которой осуществляется из в границах этой страны. Это будет намного экономичнее, чем использование нескольких передатчиков FM (VHF) или AM. Подходящие антенны предназначены для создания сильного лепестка под большими углами. Когда ионосферная волна ближнего действия нежелательна, например, когда радиовещательная компания AM желает избежать помех между земной и ионосферной волной, используются антенны с защитой от замирания для подавления волн, распространяющихся под большими углами.
Для каждого расстояния, от местного до максимального расстояния передачи (DX), существует оптимальный угол «взлёта» антенны, как показано здесь. Например, при использовании слоя F ночью, чтобы лучше всего достичь приемника на расстоянии 500 миль, следует выбрать антенну с сильным лепестком при угле места 40 градусов. Также можно видеть, что для самых длинных расстояний лучше всего подходит лепесток под малыми углами (ниже 10 градусов). Для NVIS оптимальны углы выше 45 градусов. Подходящими антеннами для больших расстояний могут быть высокие антенны Яги или ромбические; для NVIS — диполь или массив диполей на высоте около 0,2 длины волны над землей; а для промежуточных расстояний - диполь или Яги на высоте около 0,5 длины волны над землей. Вертикальные диаграммы направленности для каждого типа антенны используются для выбора подходящей антенны.
На любом расстоянии небесные волны затихнут. Слой ионосферной плазмы с достаточной ионизацией (отражающая поверхность) не фиксирован, а волнообразен, как поверхность океана. Изменение эффективности отражения от этой изменяющейся поверхности может привести к изменению силы отраженного сигнала, вызывая « затухание » в коротковолновых передачах. Еще более серьезное замирание может произойти, когда сигналы приходят по двум или более путям, например, когда волны с одинарным и двойным скачком мешают друг другу, или когда сигнал пространственной волны и сигнал земной волны достигают примерно одинаковой силы. Это наиболее распространенный источник замирания сигналов ночного вещания AM. Затухание всегда присутствует в сигналах пространственных волн, и, за исключением цифровых сигналов, таких как Digital Radio Mondiale, серьезно ограничивает точность передачи коротковолновых радиостанций.
Сигналы УКВ с частотами выше примерно 30 МГц обычно проникают в ионосферу и не возвращаются на поверхность Земли. Электронный пропуск является заметным исключением, когда сигналы УКВ, включая сигналы FM-вещания и УКВ-телевидения, часто отражаются от Земли в конце весны и начале лета. Электронный пропуск редко влияет на частоты УВЧ , за исключением очень редких случаев ниже 500 МГц.
Частоты ниже примерно 10 МГц (длины волн более 30 метров), включая передачи в средневолновых и коротковолновых диапазонах (и в некоторой степени в длинноволновых диапазонах ), наиболее эффективно распространяются по небесным волнам 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, превышающую расстояние между Землей и ионосферой. Максимальная полезная частота для распространения космических волн сильно зависит от количества солнечных пятен .
Распространение космических волн обычно ухудшается – иногда серьезно – во время геомагнитных бурь . Распространение космических волн на освещенной солнцем стороне Земли может быть полностью нарушено во время внезапных ионосферных возмущений .
Поскольку более низкие слои ( в частности , E-слой ) ионосферы ночью в значительной степени исчезают, преломляющий слой ионосферы в ночное время находится намного выше над поверхностью Земли. Это приводит к увеличению расстояния «пропуска» или «прыжка» небесной волны в ночное время.
Радистам-любителям приписывают открытие распространения космических волн в коротковолновых диапазонах. Ранние службы дальней связи использовали распространение земных волн на очень низких частотах [4] , которые затухают на трассе. Использование этого метода на больших расстояниях и более высоких частотах означало большее затухание сигнала. Это, а также трудности с генерацией и обнаружением более высоких частот затруднили открытие распространения коротких волн для коммерческих служб.
Радиолюбители провели первые успешные трансатлантические испытания, используя волны короче тех, которые используются коммерческими службами [5] в декабре 1921 года, работая в 200-метровом диапазоне средних волн (1500 кГц) — самой короткой длине волны, доступной тогда радиолюбителям. В 1922 году сотни североамериканских любителей были слышны в Европе на расстоянии 200 метров, и по крайней мере 30 североамериканских любителей услышали любительские сигналы из Европы. Первая двусторонняя связь между любителями из Северной Америки и Гавайев началась в 1922 году на высоте 200 метров.
Сильные помехи на верхней границе диапазона 150–200 метров — официальных длин волн, выделенных любителям Второй национальной радиоконференцией [6] в 1923 году — вынудили любителей переходить на все более короткие длины волн; однако согласно правилам любители были ограничены длинами волн более 150 метров (2 МГц). Несколько удачливых любителей, получивших специальное разрешение на экспериментальную связь ниже 150 метров, выполнили сотни двусторонних контактов на большие расстояния на частоте 100 метров (3 МГц) в 1923 году, включая первые трансатлантические двусторонние контакты [ 7] в ноябре 1923 года, 110 метры (2,72 МГц)
К 1924 году многие дополнительные любители, получившие специальную лицензию, регулярно устанавливали трансокеанские контакты на расстояниях 6000 миль (~ 9600 км) и более. 21 сентября несколько любителей из Калифорнии завершили двусторонние контакты с любителем из Новой Зеландии. 19 октября любители из Новой Зеландии и Англии завершили 90-минутный двусторонний контакт почти на другом конце света. 10 октября Третья национальная радиоконференция предоставила любителям США три коротковолновых диапазона [8] : 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 США 1 Май 1952 года.
Гульельмо Маркони был первым, кто показал, что радиоприемники могут общаться за пределами прямой видимости, используя отражающие свойства ионосферы. 12 декабря 1901 года он отправил сообщение на расстояние около 2200 миль (3500 км) от своей передающей станции в Корнуолле , Англия, в Сент-Джонс , Ньюфаундленд (ныне часть Канады ). Однако Маркони полагал, что радиоволны следуют за кривизной Земли – отражающие свойства ионосферы, которые создают «небесные волны», еще не были изучены. Скептицизм со стороны научного сообщества и его конкурентов по проводному телеграфу побудил Маркони продолжить эксперименты с беспроводной передачей и связанными с ними бизнес-проектами в течение следующих нескольких десятилетий. [10]
В июне и июле 1923 года Гульельмо Маркони осуществлял передачу с суши на корабль в ночное время на расстоянии 97 метров от беспроводной станции Полдху в Корнуолле до его яхты «Эллетт» на островах Зеленого Мыса . В сентябре 1924 года Маркони днем и ночью перенесся на 32 метра из Полдху на свою яхту в Бейруте. Маркони в июле 1924 года заключил контракты с Главпочтамтом Великобритании (GPO) на установку высокоскоростных коротковолновых телеграфных цепей из Лондона в Австралию, Индию, Южную Африку и Канаду в качестве основного элемента Имперской беспроводной сети . Коротковолновая служба Beam Wireless Service из Великобритании в Канаду была введена в коммерческую эксплуатацию 25 октября 1926 года. Служба Beam Wireless Service из Великобритании в Австралию, Южную Африку и Индию была введена в эксплуатацию в 1927 году.
В коротковолновых диапазонах для связи на большие расстояния доступен гораздо больший спектр, чем в длинноволновых; а коротковолновые передатчики, приемники и антенны были на порядки дешевле, чем многосоткиловаттные передатчики и чудовищные антенны, необходимые для длинных волн.
Коротковолновая связь начала быстро развиваться в 1920-х годах, [11] подобно Интернету в конце 20-го века. К 1928 году более половины систем дальней связи перешли от трансокеанских кабелей и длинноволновых беспроводных услуг к коротковолновой «пропускной» передаче, а общий объем трансокеанских коротковолновых коммуникаций значительно увеличился. Коротковолновая волна также устранила необходимость 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, а серьезный финансовый кризис поставил под угрозу жизнеспособность кабельных компаний, которые были жизненно важны для стратегических британских интересов. Британское правительство созвало Имперскую конференцию по беспроводной и кабельной связи [12] в 1928 году, «чтобы изучить ситуацию, возникшую в результате конкуренции Beam Wireless с кабельными службами». Он рекомендовал и получил одобрение правительства на объединение всех зарубежных 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}}: Журналу Cite требуется |magazine=( помощь )