Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику

Поглощение сантиметровых и миллиметровых волн в атмосфере.

На Останкинской башне размещены антенны Московского телецентра. Ведь УКВ распространяются прямолинейно, а с высокой башни телевизионный передатчик, работающий в диапазоне УКВ, освещает большую территорию. Были проекты размещения телевизионных антенн и на аэростатах, и на самолетах. Вот на создание каких проектов вынуждает нас кривизна поверхности Земли. В последние годы проблему предлагают решить еще радикальнее — установить телевизионные передатчики на искусственных спутниках Земли. Собственно, передачи со спутников уже давно ведутся. Только для их приема нужны достаточно большие антенны и специальные приемники. Но теперь наступает новая эра — эра прямого телевизионного вещания со спутников, когда каждый телезритель, направив антенну в небо, сможет принимать телепередачи в любой точке страны. Здесь не лишне заметить, что впервые подняли антенну на воздушном шаре А.С. Попов и П.Н. Рыбкин!

Итак, с ультракороткими волнами, вроде бы, все ясно: они распространяются прямолинейно. Но нет правил без исключения.

По мере развития радиотехники все чаще стали рассказывать о случаях, казалось бы, просто невозможных. Сигнал УКВ передатчика принимается далеко за горизонтом, почему, в чем дело? Уж не погода ли влияет? А погода неважная сыро, холодно и туман. Но синоптики предсказывают скорое прохождение теплого фронта, и небо уже затягивают слоисто-кучевые облака. Это значит, что на некоторой высоте над поверхностью Земли поверх сырого, холодного и тяжелого воздуха растекается подошедший слой теплого воздуха. Хотя показатель преломления воздуха и невелик, около 1,0003, он все-таки заставляет радиолуч слегка преломиться. А если изменение показателя преломления с высотой достигает 157 миллионных долей единицы на километр высоты, радиус кривизны радиолуча становится равным радиусу Земли и волна как бы огибает шарообразную Землю. Такие условия складываются нечасто и преимущественно в такую погоду, как мы только что описали. Холодный и влажный воздух у поверхности имеет большой индекс преломления, а теплый и сухой воздух на высоте — малый. Любая волна всегда преломляется в сторону среды с большим индексом. Явление преломления электромагнитных волн в атмосфере называется рефракцией . Она наблюдается и в оптическом диапазоне — заходящее Солнце мы видим еще несколько минут после того, как оно скроется за горизонтом. Были случаи (совсем уж редкие), когда с Южного берега Крыма видели турецкие горы! В УКВ диапазоне рефракция случается гораздо чаще. Для ее возникновения достаточно даже легкого, росистого летнего утра.

Хорошо помню, как именно в такое утро, поеживаясь от еще не ушедшей ночной прохлады, я вылез из палатки, стоящей на берегу Онежского озера, около Вытегры, и включил приемник. Было 25 июня 1979 года. Не сразу сообразив, что делаю, я включил УКВ диапазон и настроился на ленинградскую станцию. Послушал, какая там погода, какие фильмы и концерты ожидаются вечером. Наконец, вспомнил, что до Ленинграда больше четырехсот километров и попасть туда вечером совершенно нереально. Но что самое главное, УКВ сигналы не должны были бы приходить оттуда! Уяснив себе, что столкнулся с аномальным явлением распространения радиоволн, стал внимательно прослушивать весь диапазон. И что же?

Передают последние известия из Новгорода. Рядом рассказывают о достижениях сельского хозяйства в Вологодской области. А уж Петрозаводск слышно как Москву в московской квартире! Все объяснилось очень просто. Ночью было + 5°, выпала сильная роса, и приземный слой воздуха стал холодным и влажным, в то время как восходящее Солнце подогрело верхние слои воздуха. Обычная тропосферная рефракция! К одиннадцати часам дня не было слышно ни дальних городов, ни Петрозаводска, до которого было всего каких-нибудь 150 км.

Аналогичный случай произошел с моим хорошим другом, радиолюбителем и полярником, на дрейфующей станции «Северный полюс». Как-то он захватил с собой на зимовку портативный батарейный приемник «Океан» и, включив УКВ диапазон, стал слушать передачу радиостанции «Маяк». Лишь спустя некоторое время он сообразил, что на Северном полюсе это невозможно! Тем не менее случай был, и чем его объяснить, я не знаю. Возможно, обширная область тропосферной рефракции охватила Арктику или очень сильно возросла концентрация электронов в ионосфере в связи с магнитной бурей или полярным сиянием и ультракороткие волны отражались от ионосферы так же, как короткие.

С другими аномальными случаями распространения УКВ мы еще встретимся, а пока перейдем к диапазону радиоволн с длинами от нескольких километров до десяти метров.

Еще в первых опытах А. С. Попова и других изобретателей было установлено, что чем больше размеры антенн, тем больше и дальность связи. Ведь, как мы уже знаем, рабочая частота первых, простейших передатчиков определялась единственным колебательным контуром, в который входила и антенна. Были и теоретические соображения в пользу сверхдлинных волн, которые должны были огибать выпуклость земной поверхности за счет известного из оптики явления — дифракции.

Дифракция — это огибание волной препятствий. Какие препятствия огибает световая волна? Представим, что «точечный» источник света создает на удаленном экране тень от черного картонного кружка. Четкая тень видна от кружка большого диаметра. А при уменьшении диаметра тень становится размытой, более того, наступает момент, когда вместо минимума освещенности в середине тени появляется светлое пятно! Другой опыт. Проделаем небольшое отверстие в непрозрачном кружке. Казалось бы, что чем меньше отверстие, тем меньше должно быть светлое пятно на экране. Это верно до определенных пределов. Если же отверстие становится совсем маленьким, освещенная зона на экране расширяется до огромных размеров! Начало объяснению дифракции положил еще X. Гюйгенс в «Трактате о Свете». Он выдвинул принцип, согласно которому каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны. Если фронт волны достаточно широк, то волны отдельных источников складываются в направлении «вперед» и взаимно «гасят» друг друга в направлении «вбок» или «в сторону». Таким образом, принцип Гюйгенса не противоречит прямолинейности распространения света. Если же от фронта волны осталась одна точка, как в случае чрезвычайно малого отверстия, свет за отверстием распространяется во все стороны.

Для сверхдлинных радиоволн, длина которых составляет несколько километров, выпуклость Земли при не слишком больших расстояниях уже не помеха. Например, при расстоянии между передатчиком и приемником 1000 км высота шарового сегмента составит около 20 км. Следовательно, волны с частотами в десятки и сотни килогерц должны распространяться на такие расстояния.