f1 = f2
Przy załamaniu fal elektromagnetycznych, kąt padania i kąt załamania są związane między sobą następującym równaniem:
n1 * sin f1 = n2 * sin f2
gdzie n1 i n2 - współczynniki załamania dwóch ośrodków.
Jeżeli fale na swojej drodze napotykają
przeszkodę, to starają się ją obejść. Proces omijania
nazywa się dyfrakcją. Dłuższe fale są
w stanie omijać przeszkody dużych rozmiarów. W niejednorodnym ośrodku fale
rozprzestrzeniają się po torach krzywoliniowych (zjawisko refrakcji).
Dla efektywnego wykorzystania aparatury
nadawczej i odbiorczej oraz zabezpieczenia pewnej łączności radiowej, należy
wziąć pod uwagę właściwości środowiska między anteną nadawczą i odbiorczą
oraz oddziaływanie rozchodzących się fal elektromagnetycznych.
W pewnym przybliżeniu powierzchnia ziemi
może być przyjęta za idealny przewodnik dla fal długich,
średnich, pośrednich i krótkich, oraz za idealny dielektryk dla
fal ultrakrótkich (l < 10 m.).
Tym samym oddziaływanie ziemi na emisję energii można zamiennie przedstawić
działaniem lustra odbijającego
energię
z anteny.
Przewodność gruntu wywołuje pochłanianie
i odbicie fal, co powoduje, że obiegają one krzywiznę powierzchni ziemi.
Pochłanianie energii w ziemi rośnie ze
wzrostem częstotliwości drgań elektromagnetycznych.
Dolną warstwę atmosfery można uznać w
przybliżeniu za dielektryk bez strat. W górnych warstwach atmosfery pod
działaniem promieni ultrafioletowych emitowanych przez Słońce, zachodzi
proces rozszczepienia atomów gazu na dodatnie jony i elektrony. Dlatego
tą część atmosfery przyjęto nazywać jonosferą. Stopień jonizacji charakteryzuje
się koncentracją elektronową, tj. ilością swobodnych elektronów
w 1 m3 .
Rezultaty pomiarów koncentracji elektronowej
na różnych wysokościach pokazały, że na pewnych wysokościach gęstość jonizacji
osiąga największe wartości.
Rozróżnia się cztery warstwy jonizacyjne,
które przyjęto odpowiednio nazywać: D, E, F1 i F2. Warstwa D znajduje się
na wysokości rzędu 60-80 km, warstwa E na wysokości 110-130 km, Warstwa
F1 na wysokości 180-240 km i warstwa F2 na wysokości 250-400 km
.
Stopień jonizacji górnych warstw atmosfery
zależy od pory dnia i roku oraz od szerokości geograficznej miejscowości.
Koncentracja elektronów N w dzień jest większa niż w nocy, a latem większa
niż zimą. Warstwa F1 ujawnia się tylko latem w czasie dnia i dlatego nieznacznie
oddziałuje na proces rozchodzenia się
energii elektromagnetycznej. Z nastaniem nocy znika warstwa D, a koncentracja
elektronowa w warstwie E i F2 zmniejsza się. Gęstość jonizacji zmniejsza
się ze zwiększeniem szerokości geograficznej.
W wyniku dużej jonizacji, jonosfera posiada
właściwości ośrodka półprzewodzącego, fale rozchodzące
się w zjonizowanym ośrodku doprowadzają do ruchu drgającego znajdujące
się w jonosferze elektrony swobodne.
Elektrony zderzają się przy drganiach
z neutralnymi molekułami i przekazują im energię otrzymaną od fal radiowych.
Tak przedstawia się proces rozchodzenia
się fal w zjonizowanej warstwie atmosfery,
związany z pochłanianiem energii.
Współczynnik pochłaniania określa wzór:
b = A1 * (N * v / f2)
Im jest większa koncentracja elektronów N i im jest większa liczba zderzających się elektronów z neutralnymi molekułami w ciągu jednej sekundy v, tym współczynnik pochłaniania jest większy. Ze zwiększeniem częstotliwości f współczynnik pochłaniania zmniejsza się.
Wskaźnik załamania ośrodka jonizacyjnego:
________________
n2 =Ö 1-A2 * ( N / f2)
Zależy on od koncentracji elektronów i
od częstotliwości drgań.
Im jest większa koncentracja elektronów
N, tym mniejszy wskaźnik załamania zjonizowanej warstwy 2.
Uwzględniając, że wskaźnik załamania niezjonizowanego powietrza n1=1, znajdujemy:
sin f1 = n2 sin f2
Energia elektromagnetyczna promieniująca pod pewnym kątem do horyzontu, byłaby tracona gdyby górna część atmosfery nie była zjonizowana.
Częstotliwość krytyczna:
________
fkr=ÖA2 * N
Jeżeli częstotliwość drgań f jest mniejsza
od częstotliwości krytycznej, to silnie zjonizowana warstwa odbija energię
elektromagnetyczną. Zachowując tym samym energię w obrębie ziemi. Jeżeli
częstotliwość drgań f > fkr , to fale nie będą odbijać się od zjonizowanej
warstwy atmosfery.
Im większa częstotliwość drgań tym mniejszy
powinien być kąt a= (p/2) - j1 miedzy
kierunkiem rozchodzenia się fali i horyzontem aby
otrzymać fale odbite od jonosfery. Przy niezmienionej częstotliwości drgań
f , do otrzymania fal odbitych jest
konieczne , żeby kąt a był
mniejszy od pewnego kąta krytycznego akr.
Fale ultrakrótkie (l<10m.)
nie odbiją się od zjonizowanej warstwy atmosfery. Aktywność słoneczna wywołująca
jonizację górnych
warstw atmosfery, zmienia się okresowo.
Długość okresu wynosi w przybliżeniu 11 lat.
Obecnie mamy maksimum aktywności słonecznej.
Natężenie pola w zakresie fal długich i średnich wzrasta w roku maksymalnej
aktywności słonecznej w przybliżeniu dwa razy.
Oddziaływanie plam słonecznych na rozchodzenie
się fal krótkich jest następujące: w latach maksimum aktywności
słonecznej, najdogodniejsze fale do dalekich łączności przesuwają się w
stronę fal krótszych w przybliżeniu 5 do 6 m.,
a natężenie pola w miejscu odbioru
zwiększa się. Energia elektromagnetyczna, promieniująca z anteny nadawczej,
rozchodzi się częściowo wzdłuż powierzchni ziemi i częściowo w kierunkach
tworzących pewien kąt z horyzontem. Fale rozchodzące się wzdłuż powierzchni
ziemi, przyjęto nazywać falami powierzchniowymi.
Fale rozchodzące się w górnych warstwach
atmosfery lub odbite od jonosfery, nazywa się falami przestrzennymi. Warunki
rozchodzenia się energii zależą od
długości fali. Fala powierzchniowa zanika tym silniej, im jest krótsza.
Zjonizowana warstwa pochłania falę przestrzenną tym silniej im jest ona
dłuższa. Uwzględniając własności ośrodka, w którym zachodzi
proces rozchodzenia się energii elektromagnetycznej, można obrazowo wyjaśnić
zagadnienie rozchodzenia się fal rożnych zakresów. Fale długie dobrze odbijają
się od jonosfery i od powierzchni ziemi, dlatego przy łączności radiowej
na falach długich na znaczne odległości (kilkaset kilometrów) podstawową
falą okazuje się fala przestrzenna. W związku z dużym pochłanianiem przy
odbiciu od jonosfery (w dzień od warstwy D i nocą od warstwy E) do łączności
radiowej na falach długich na duże odległości, konieczne są silne nadajniki.
Zakres fal długich posiada stabilne warunki rozchodzenia się energii elektromagnetycznej.
Na falach z zakresu l= 200 do 2000m.
w dzień energia przekazywana
jest głównie falami powierzchniowymi, fale przestrzenne przy odbiciu od
jonosfery doznają silnego pochłaniania. W nocy wraz ze zmniejszeniem się
koncentracji elektronowej, fala przestrzenna
zmniejsza swoje natężenie w miejscu odbioru. W zakresie fal średnich czasami
fale powierzchniowe i przestrzenne tworzą w punkcie odbioru
pola jednakowej intensywności. W tym przypadku zachodzi złożenie (interferencja)
pól obu fal. Tak jak wysokość warstwy zjonizowanej zmienia się w zależności
od aktywności słonecznej, to różnica długości dróg przyziemnej i
przestrzennej fali zmienia się z biegiem
czasu.
Będzie zmieniać się także przesuniecie
faz między natężeniem pola tworzącymi te fale. W chwilach czasu, kiedy
przesunięcie faz staje się równe 180 stopni, sumaryczne pole będzie równe
zeru i łączność radiowa przerwie się. W ten sposób, wskutek interferencji
pól obu fal natężenie pola w punkcie odbioru jest
niestałe.
Te drgania pola doprowadzające do chwilowego przerwania odbioru
sygnału, przyjęto nazywać zamieraniem. Im dłuższa fala tym mniejsze
zamieranie. Do usunięcia zjawiska zamierania
na falach średnich wykorzystuje się tzw. nadawcze
anteny antyzanikowe. Anteną antyzanikową nazywa
się antenę promieniującą dużą część mocy we wszystkich kierunkach leżących
w płaszczyźnie horyzontalnej i nieznaczną część wzdłuż kierunków tworzących
kąty z płaszczyzną horyzontalną. Innymi
słowy antena antyzanikowa tworzy silną falę powierzchniową i słabą przestrzenną.
Fale zakresu krótkofalowego (l= 10 do
50 m.) mają tendencję do silnego zanikania,
przy rozchodzeniu się wzdłuż powierzchni ziemi, zanikają w odległości kilkudziesięciu
kilometrów. Fale przestrzenne bardzo
słabo zanikają, przy przechodzeniu przez jonosferę, odbijają się z powrotem
do ziemi i tym samym mogą być wykorzystywane do łączności na odległości
setek i tysięcy kilometrów. Falom krótkim także towarzyszy zjawisko
zanikania. Powstaje ono
wskutek zmian faz
oddzielnych promieni fali przestrzennej przy drganiach wysokości warstwy
zjonizowanej. Osłabienie tłumienia może być dokonane przy zastosowaniu
anteny z ostrą kierunkowością w płaszczyźnie pionowej. Fale ultrakrótkie
(l< 10) nie
odbijają się od jonosfery a fala powierzchniowa
bardzo intensywnie zanika, tworząc praktycznie dostateczne pole tylko w
granicach widoczności horyzontalnej.