Почему дальняя связь на коротких волнах требует менять рабочую частоту вслед за состоянием ионосферы

Радист настраивает коротковолновую станцию на частоту, которая вчера вечером уверенно брала корреспондента за тысячи километров, а сегодня днём на той же частоте слышит только шум. Передатчик исправен, антенна та же, мощность прежняя, а связи нет. Дело не в технике, а в том, что отражающий слой над головой за ночь изменился, и частота, идеальная вчера, сегодня либо улетает в космос, либо тонет в поглощении. Дальняя связь на коротких волнах живёт по правилу, которое новичка обескураживает: рабочую частоту приходится менять несколько раз в сутки вслед за ионосферой. Разберём физику этого правила, посчитаем границы рабочего диапазона и покажем, почему единственной правильной частоты на все случаи не существует.

Зеркало над головой, которое всё время меняется

Короткие волны уходят за горизонт не по прямой, а отражаясь от ионосферы - наэлектризованного слоя верхней атмосферы. Ионосфера простирается примерно от 60 километров до более чем 1000 километров над землёй, и солнечное излучение ионизирует там газы, создавая свободные электроны и ионы. Именно эти заряженные частицы заворачивают радиоволну обратно к земле, вместо того чтобы выпустить её в космос, и так возникает связь за пределами видимого горизонта.

Проблема в том, что это зеркало не постоянное. Плотность ионизации зависит от того, сколько солнечного излучения попадает на слой, а значит, меняется в течение суток, от сезона, от широты и от солнечной активности. Днём ультрафиолет Солнца накачивает ионосферу, плотность электронов растёт, ночью без подсветки она спадает. Слой F2, самый высокий и самый важный для дальней связи, способен отражать самые высокие частоты именно потому, что он выше всех и держит наибольшую плотность электронов. Его состояние и определяет, какая частота сегодня пройдёт.

Критическая частота как мера отражающей способности слоя

Ключевая характеристика ионосферного слоя - критическая частота. Это наибольшая частота, которая отражается обратно к земле при вертикальном излучении прямо вверх. Если послать волну вертикально на частоте выше критической, она пробьёт слой и уйдёт в космос, ниже критической - вернётся. Критическая частота прямо связана с плотностью электронов в слое выражением:

fc = 9·√Nmax

где fc в герцах, а Nmax - максимальная концентрация электронов в кубическом метре. Из формулы видно главное: чем больше электронов в слое, тем выше критическая частота, и тем более высокочастотный сигнал слой способен отразить. Днём при сильной ионизации критическая частота слоя F2 поднимается до 8-12 мегагерц, ночью падает до 3-5 мегагерц.

Критическую частоту измеряют прибором, называемым ионозондом: он посылает вертикально вверх импульсы нарастающей частоты и слушает отражения, а та частота, выше которой отражение пропадает, и есть критическая. Значение критической частоты слоя F2 обозначают foF2, и оно служит исходной величиной для всех расчётов рабочих частот связи. Зная foF2 в данный момент, можно вычислить, какие частоты пройдут на нужной трассе.

Почему наклонная трасса поднимает потолок частоты

Связь на дальние расстояния идёт не вертикально, а под малым углом к горизонту, и это резко меняет картину. При наклонном падении на слой волна отражается на частоте гораздо выше критической. Максимальная частота, которая ещё отражается для данной трассы, называется максимальной применимой частотой и связана с критической через угол падения:

fmuf = fc / cos θ

где θ - угол падения волны на слой. Чем более пологая трасса, тем больше угол падения от вертикали, тем меньше косинус, и тем выше получается максимальная применимая частота. Для пологих дальних трасс она в три-четыре раза превышает критическую частоту.

Через геометрию трассы ту же величину выражают иначе. Если ввести виртуальную высоту слоя h и дальность скачка d, то максимальная применимая частота для односкачковой трассы:

fmuf = fc·√((d / 2h)² + 1)

Посчитаем пример. Пусть критическая частота 6 мегагерц, виртуальная высота слоя 100 километров, дальность скачка 25 километров. Тогда fmuf = 6·√((25 / 200)² + 1) = 6·√(0,0156 + 1) ≈ 6,05 мегагерца. Для короткой трассы прибавка к критической частоте мала, потому что волна падает почти вертикально. А для дальней трассы в тысячи километров, где угол падения большой, та же критическая частота 6 мегагерц даёт максимальную применимую частоту 18-24 мегагерца. Вот почему дальние трассы требуют более высоких частот, чем ближние, при одной и той же ионосфере.

Нижняя граница диапазона и поглощение в дневном слое

Сверху рабочий диапазон ограничен максимальной применимой частотой, а снизу - наименьшей применимой частотой. Ниже неё сигнал не пропадает в космосе, а тонет в поглощении. Виноват слой D, самый нижний, который существует только днём. Поглощение в слое D сильнее для низких частот, и оно задаёт наименьшую применимую частоту, ниже которой вся мощность сигнала поглощается, не дойдя до отражающего слоя.

Физика поглощения противоположна физике отражения. Низкочастотная волна сильнее раскачивает свободные электроны слоя D, они чаще сталкиваются с молекулами и рассеивают энергию волны в тепло. Чем ниже частота, тем сильнее поглощение, поэтому днём низкочастотный конец диапазона выключается. Ночью слой D исчезает, поглощение пропадает, и наименьшая применимая частота резко падает, открывая нижние частоты для связи. Именно поэтому ночью дальняя связь уходит на низкочастотные диапазоны, недоступные днём.

Получается коридор: рабочая частота должна лежать выше наименьшей применимой, чтобы не утонуть в поглощении, и ниже максимальной применимой, чтобы не пробить ионосферу. Этот коридор между двумя границами и есть диапазон, в котором связь вообще возможна, и его называют диапазоном оптимальных рабочих частот.

Оптимальная рабочая частота и почему берут долю от максимальной

Внутри коридора есть наилучшая точка. Работать у самой максимальной применимой частоты заманчиво, потому что там минимально поглощение, но опасно: ионосфера колеблется, и при малейшем спаде критической частоты сигнал уйдёт в космос, связь оборвётся. Поэтому оптимальную рабочую частоту берут с запасом ниже максимальной.

Частота оптимальной передачи обычно составляет около 80-90 процентов от максимальной применимой частоты для трассы. Часто лучшая частота для использования близка к значению максимальной применимой частоты, умноженному на 0,85. Этот запас спасает при внезапном падении максимальной применимой частоты. Посчитаем: если для трассы максимальная применимая частота составляет 18 мегагерц, то оптимальная рабочая попадает в диапазон от 14,4 до 16,2 мегагерца. Эта подушка держит связь, если ионосфера слегка просядет.

На оптимальной частоте получают лучшее отношение сигнала к шуму и меньшее замирание. Заодно не тратят зря мощность, уходя слишком низко, где поглощение хуже. Выбор оптимальной частоты - это всегда баланс: достаточно высоко, чтобы поглощение было мало и был запас от нижней границы, но достаточно ниже максимальной, чтобы пережить колебания ионосферы. Единой правильной частоты тут нет, есть лучшая точка для текущего состояния слоя.

Мёртвая зона и почему связь рвётся не из-за слабого сигнала

Отдельное следствие отражательной связи - мёртвая зона. Земная волна вдоль поверхности затухает на некотором расстоянии от передатчика, а первая отражённая от ионосферы волна возвращается на землю уже довольно далеко. Между концом земной волны и точкой возврата первого скачка образуется кольцо, где сигнала нет вовсе. Это зона молчания, и связь в ней невозможна не из-за слабости передатчика, а из-за геометрии скачка.

Радиус мёртвой зоны зависит от частоты и высоты слоя:

dскип = 2h·√((fраб / fc)² - 1)

где h - высота отражающего слоя, fраб - рабочая частота, fc - критическая частота. Из формулы видно: чем выше рабочая частота относительно критической, тем больше радиус мёртвой зоны. Если корреспондент попал в мёртвую зону, не помогает ни увеличение мощности, ни смена антенны - нужно менять частоту, опуская её ближе к критической, чтобы стянуть мёртвую зону, или, наоборот, использовать почти вертикальное излучение для ближней связи.

Для ближней связи на сотни километров применяют почти вертикально направленные волны, которые отражаются вниз почти под головой и заполняют мёртвую зону обычного дальнего луча. Это отдельный режим, где частоту берут чуть ниже критической, чтобы вертикальный луч гарантированно вернулся. Тот же передатчик с той же антенной, но на другой частоте обслуживает то ближнюю зону, то дальнюю трассу.

Многоскачковое распространение и замирания на трассе

Очень дальние трассы не укладываются в один скачок: волна отражается от ионосферы, возвращается к земле, отражается уже от земной поверхности обратно вверх, снова от ионосферы, и так несколько раз. Каждый такой скачок слоя F2 при высоте около 320 километров покрывает тысячи, а не сотни километров, поэтому односкачковая связь через F2 достаёт за несколько тысяч километров, а многоскачковая огибает полпланеты. Но каждый лишний скачок добавляет потерь на отражении от земли и на повторном проходе через поглощающие нижние слои, поэтому многоскачковый сигнал слабее.

Многоскачковость порождает и коварную беду - многолучёвость. До приёмника одновременно приходят волны, прошедшие разным числом скачков и под разными углами, и эти лучи имеют разную длину пути, а значит, разное время прихода. Сложение лучей со сдвигом по фазе даёт замирания: сигнал то усиливается, то почти пропадает, когда лучи гасят друг друга. Для цифровых передач это особенно болезненно, потому что разброс времён прихода лучей размывает сигнал во времени и снижает скорость, с которой можно передавать данные.

Выбор частоты влияет и на многолучёвость. Ближе к максимальной применимой частоте число возможных путей обычно меньше, потому что не все углы уже отражаются, и сигнал чище. Это ещё один довод в пользу работы у верхней части коридора, а не у нижней. Поэтому оптимальную рабочую частоту берут не только ради малого поглощения, но и ради меньшего числа интерферирующих лучей, что снижает замирания и улучшает разборчивость.

Солнечный цикл и суточный ритм смены частот

Поверх суточных колебаний лежит одиннадцатилетний цикл солнечной активности, и он сдвигает весь диапазон. Когда солнечная активность достаточно высока, максимальная применимая частота растёт, и плотность ионизации становится достаточной, чтобы отражать сигналы вплоть до 30-60 мегагерц. В годы высокой активности открываются верхние диапазоны, недоступные в годы спокойного Солнца, и дальняя связь становится возможной на частотах, которые в минимуме цикла улетали бы в космос.

Растущая максимальная применимая частота сначала затрагивает диапазон около 27 мегагерц, потом любительский диапазон 28 мегагерц, и лишь затем добирается до 45-55 мегагерц. Это объясняет, почему опытные радисты следят за индексами солнечной активности и прогнозами распространения: они подсказывают, какие диапазоны сегодня живы. Существуют международные рекомендации, задающие методы прогноза наименьшей применимой, оптимальной рабочей и максимальной применимой частот для проектирования коротковолновых трасс и выбора диапазона.

Практический ритм работы складывается такой. Днём при высокой критической частоте и сильном поглощении снизу работают на высоких частотах, 14-28 мегагерц. К вечеру критическая частота падает, верхние диапазоны закрываются один за другим, и связь спускается на 7-10 мегагерц. Ночью при исчезнувшем слое D и низкой критической частоте уходят на 3-7 мегагерц. Это не прихоть, а следование за зеркалом: каждая частота живёт в своё время суток, и удержать связь круглые сутки можно, только меняя частоту вслед за состоянием ионосферы.

Выбор рабочей частоты в коротковолновой связи - это не настройка раз и навсегда, а постоянная подстройка под живое, дышащее зеркало над головой. Сверху диапазон режет максимальная применимая частота, ниже которой волна ещё возвращается, снизу - наименьшая применимая, выше которой сигнал ещё не тонет в поглощении, а внутри коридора лежит оптимальная точка на уровне около 85 процентов от верхней границы. Все три величины плывут в течение суток вслед за Солнцем и в течение лет вслед за солнечным циклом. Тот, кто понимает физику критической частоты, угла падения и поглощения, не удивляется молчанию вчерашней частоты, а просто переходит на ту, что соответствует сегодняшнему состоянию ионосферы.