Введение
Распространение радиоволн за радиовидимость. В радиосвязи, skywave или skip обозначает распространение радиоволн, отраженных или преломленных обратно к Земле из ионосферы – электрически заряженного слоя верхних слоев атмосферы. Поскольку оно не ограничено кривизной Земли, skywave-распространение может использоваться для связи на расстояниях, превышающих горизонт, вплоть до межконтинентальных. В основном оно применяется в коротковолновых диапазонах частот. Благодаря skywave-распространению сигнал от удаленной AM-радиостанции, коротковолновой станции или – при условиях спорадического распространения E (преимущественно в летние месяцы в обоих полушариях) – удаленной VHF FM или телевизионной станции иногда может приниматься так же четко, как и сигнал от местных станций. Большая часть дальней радиосвязи на коротких волнах (высоких частотах) – в диапазоне от 3 до 30 МГц – является результатом skywave-распространения. С начала 1920-х годов радиолюбители (или "хэмы"), ограниченные меньшей мощностью передатчиков по сравнению с вещательными станциями, используют skywave для связи на большие расстояния (или "DX"). Skywave-распространение отличается от прямой видимости, при которой радиоволны распространяются по прямой линии, и от непрямой видимости.
In radio communication, skywave or skip refers to the propagation of radio waves reflected or refracted back toward Earth from the ionosphere, an electrically charged layer of the upper atmosphere. Since it is not limited by the curvature of the Earth, skywave propagation can be used to communicate beyond the horizon, at intercontinental distances. It is mostly used in the shortwave frequency bands. As a result of skywave propagation, a signal from a distant AM broadcasting station, a shortwave station, or – during sporadic E propagation conditions (principally during the summer months in both hemispheres) – a distant VHF FM or TV station can sometimes be received as clearly as local stations. Most long distance shortwave (high frequency) radio communication – between 3 and 30 MHz – is a result of skywave propagation. Since the early 1920s amateur radio operators (or "hams"), limited to lower transmitter power than broadcast stations, have taken advantage of skywave for long distance (or "DX") communication. Skywave propagation is distinct from line of sight propagation, in which radio waves travel in a straight line, and from non line of sight propagation.
Местное и отдаленное распространение небесных волн
Радиоволны, отраженные от ионосферы, могут использоваться для дальней связи (DX) с помощью волн, направленных под малым углом к горизонту, а также для относительно локальной связи с помощью почти вертикально направленных волн (NVIS – ближняя вертикальная ионосферная связь).
Небесные волны с низким углом
Ионосфера – это область верхней атмосферы, простирающаяся 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. Если пиковая ионизация достаточно сильна для выбранной частоты, волна выходит из нижней части слоя в направлении Земли, как будто отражается от зеркала. Поверхность Земли (суша или вода) затем отражает нисходящую волну обратно вверх к ионосфере. При работе на частотах, лишь немного ниже максимальной рабочей частоты, потери могут быть незначительными, поэтому радиосигнал может эффективно "отражаться" или "проходить скачком" между Землей и ионосферой два или более раз (многолучевое распространение), даже следуя кривизне Земли. В результате даже сигналы мощностью всего в несколько ватт иногда могут быть приняты на расстоянии многих тысяч километров. Это позволяет коротковолновым радиопередачам распространяться по всему миру. Если ионизация недостаточно сильна, волна лишь слегка изгибается вниз, а затем вверх при прохождении пика ионизации, выходя из верхней части слоя с небольшим смещением. В этом случае волна теряется в космосе. Чтобы этого избежать, необходимо использовать более низкую частоту. При одном "отражении" можно достичь расстояний до 3500 км (2200 миль). Более протяженные передачи возможны при двух или более отражениях.
Почти вертикальные небесные волны
Небесные волны, направленные почти вертикально, называются небесными волнами с почти вертикальным углом распространения (NVIS). На определенных частотах, как правило, в нижнем диапазоне коротких волн, высокоугольные небесные волны отражаются непосредственно обратно к земле. Когда волна возвращается на землю, она распространяется на большой площади, обеспечивая связь в пределах нескольких сотен миль от передающей антенны. NVIS обеспечивает локальную и региональную связь, даже из низменностей, на обширной территории, например, всего штата или небольшой страны. Для покрытия аналогичной площади с помощью ВЧ-передатчика прямой видимости потребуется очень высокая горная вершина. Таким образом, NVIS полезна для общештатных сетей, например, для аварийной связи. В коротковолновом вещании NVIS очень эффективна для регионального вещания, ориентированного на территорию, простирающуюся от местоположения передатчика на несколько сотен миль, например, для охвата страны или языковой группы изнутри ее границ. Это будет значительно экономичнее, чем использование нескольких FM (ВЧ) или AM передатчиков. Подходящие антенны разрабатываются для создания мощного лепестка на высоких углах. Когда распространение коротких волн нежелательно, например, когда AM-вещатель стремится избежать интерференции между наземной и небесной волнами, используются антифэйдинговые антенны для подавления волн, распространяющихся под большими углами.
Среднее покрытие расстояния
Для каждого расстояния, от ближнего до максимальной дальности передачи (DX), существует оптимальный угол излучения антенны, как показано здесь. Например, при использовании F-слоя ночью для наилучшего приема сигнала на расстоянии 500 миль, следует выбрать антенну с выраженным максимумом на высоте 40 градусов. Также видно, что для самых больших расстояний лучше всего подходит излучение под малыми углами (ниже 10 градусов). Для NVIS оптимальными являются углы выше 45 градусов. Для дальней связи подойдут высокие Яги или ромбические антенны; для NVIS – диполь или массив диполей на высоте примерно 0,2 длины волны над землей; а для средних расстояний – диполь или Яги на высоте около 0,5 длины волны над землей. Вертикальные диаграммы направленности для каждого типа антенны используются для выбора наиболее подходящей антенны.
Увядание
На любом расстоянии небесные волны будут затухать. Слой ионосферной плазмы с достаточной ионизацией (отражающая поверхность) не является фиксированным, а пульсирует, как поверхность океана. Изменение эффективности отражения от этой изменчивой поверхности может приводить к колебаниям силы отраженного сигнала, вызывая "затухание" в коротковолновом вещании. Еще более сильное затухание возникает, когда сигналы приходят по двум или более путям, например, при интерференции волн одного и двух отражений, или когда небесная и наземная волны достигают приемника примерно с одинаковой силой. Это наиболее распространенная причина затухания ночных AM-сигналов. Затухание всегда присутствует в сигналах, распространяющихся через небесную волну, и, за исключением цифровых сигналов, таких как Digital Radio Mondiale, существенно снижает качество коротковолнового вещания.
Другие соображения
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 VHF-телевизионные сигналы, часто отражаются обратно 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 (длина волны более 30 метров), включая вещание в средневолновом и коротковолновом (и в некоторой степени долноволновом) диапазонах, наиболее эффективно распространяются по небу ночью. Частоты выше 10 МГц (длина волны менее 30 метров) обычно наиболее эффективно распространяются в течение дня. Частоты ниже 3 кГц имеют длину волны, превышающую расстояние между Землей и ионосферой. Максимально используемая частота для распространения небесных волн сильно зависит от количества солнечных пятен. Распространение небесных волн обычно ухудшается – иногда значительно – во время геомагнитных бурь. Распространение небесных волн на освещенной стороне Земли может быть полностью прервано во время внезапных ионосферных возмущений. Поскольку нижние слои (особенно слой E) ионосферы в значительной степени исчезают ночью, рефракционный слой ионосферы ночью находится намного выше поверхности Земли. Это приводит к увеличению расстояния "skip" или "hop" небесной волны ночью.
История открытия
Радиолюбителям принадлежит заслуга открытия распространения радиоволн через ионосферу на коротких волнах. Первые системы дальней связи использовали распространение наземных волн на очень низких частотах, которые быстро затухают по мере распространения. Увеличение расстояния и частоты при использовании этого метода приводило к большему ослаблению сигнала. Это, а также трудности с генерацией и приемом более высоких частот, затрудняли обнаружение коротковолнового распространения для коммерческих служб. В декабре 1921 года радиолюбители провели первые успешные трансатлантические тесты, используя волны, длина которых была меньше, чем у волн, используемых коммерческими службами, работая в 200-метровом среднем диапазоне (1500 кГц) – самой короткой доступной тогда длине волны для радиолюбителей. В 1922 году сотни североамериканских радиолюбителей были слышны в Европе на 200 метрах, и по крайней мере 30 североамериканских радиолюбителей приняли сигналы от европейских радиолюбителей. Первые двусторонние связи между североамериканскими и гавайскими радиолюбителями начались в 1922 году на 200 метрах. Сильные помехи на верхней границе диапазона 150-200 метров – официальных длин волн, выделенных радиолюбителям на Второй национальной радиоконференции в 1923 году – вынудили радиолюбителей переходить на все более короткие длины волн; однако, правилами для радиолюбителей была установлена минимальная длина волны в 150 метров (2 МГц). Несколько удачливых радиолюбителей, получивших специальное разрешение на проведение экспериментальных связей на длинах волн менее 150 метров, в 1923 году совершили сотни двусторонних контактов на 100 метрах (3 МГц), включая первые трансатлантические двусторонние контакты в ноябре 1923 года на 110 метрах (2,72 МГц). К 1924 году многие дополнительные радиолюбители, имевшие специальные лицензии, регулярно осуществляли трансокеанские связи на расстояниях 6000 миль (~9600 км) и более. 21 сентября несколько радиолюбителей из Калифорнии провели двусторонние связи с радиолюбителем из Новой Зеландии. 19 октября радиолюбители из Новой Зеландии и Англии провели 90-минутную двустороннюю связь, почти на полпути вокруг земного шара. 10 октября Третья национальная радиоконференция выделила американским радиолюбителям три коротковолновых диапазона: 80 метров (3,75 МГц), 40 метров (7 МГц) и 20 метров (14 МГц). Эти диапазоны были выделены во всем мире, а 10-метровый диапазон (28 МГц) был создан на Вашингтонской международной радиотелеграфной конференции 25 ноября 1927 года. 15-метровый диапазон (21 МГц) был открыт для радиолюбителей в Соединенных Штатах 1 мая 1952 года.
By 1924 many additional specially licensed amateurs were routinely making transoceanic contacts at distances of 6000 miles (~9600 km) and more. On 21 September several amateurs in California completed two way contacts with an amateur in New Zealand. On 19 October amateurs in New Zealand and England completed a 90 minute two way contact nearly halfway around the world. On October 10, the Third National Radio Conference made three shortwave bands available to U. S. amateurs at 80 meters (3.75 MHz), 40 meters (7 MHz) and 20 meters (14 MHz). These were allocated worldwide, while the 10 meter band (28 MHz) was created by the Washington International Radiotelegraph Conference on 25 November 1927. The 15 meter band (21 MHz) was opened to amateurs in the United States on 1 May 1952.
Маркони
Гульельмо Маркони первым продемонстрировал возможность радиосвязи за пределами прямой видимости, используя отражающие свойства ионосферы. 12 декабря 1901 года он отправил сообщение на расстояние около 3541 километра от своей передающей станции в Корнуолле, Англия, до Сент-Джонса, Ньюфаундленд (ныне часть Канады). Однако Маркони полагал, что радиоволны следуют по кривизне Земли – отражающие свойства ионосферы, обеспечивающие распространение "небесных волн", еще не были поняты. Скептицизм научного сообщества и конкуренция с проводными телеграфными компаниями побудили Маркони продолжать эксперименты с беспроводной передачей и связанными с ней бизнес-проектами в течение следующих нескольких десятилетий. В июне и июле 1923 года были завершены наземно-морские передачи Гульельмо Маркони в ночное время на частоте 97 метров от беспроводной станции Poldhu в Корнуолле до его яхты Ellette на островах Кабо-Верде. В сентябре 1924 года Маркони осуществлял передачи как днем, так и ночью на частоте 32 метра от Poldhu до своей яхты в Бейруте. В июле 1924 года Маркони заключил контракты с Британским генеральным почтовым отделением (GPO) на установку высокоскоростных коротковолновых телеграфных линий связи из Лондона в Австралию, Индию, Южную Африку и Канаду, как основного элемента Имперской беспроводной сети. Коротковолновая служба "Beam Wireless Service" между Великобританией и Канадой начала коммерческую эксплуатацию 25 октября 1926 года. Службы Beam Wireless между Великобританией и Австралией, Южной Африкой и Индией вступили в строй 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 многосотенкиловаттные передатчики и огромные антенны, необходимые для длинноволновой связи. Коротковолновая связь начала стремительно развиваться в 1920-х годах, подобно интернету в конце 20-го века. К 1928 году более половины дальней связи перешли от трансатлантических кабелей и длинноволновой беспроводной связи к коротковолновой передаче "на отражение", а общий объем трансатлантической коротковолновой связи значительно возрос. Коротковолновая связь также устранила необходимость в многомиллионных инвестициях в новые трансатлантические телеграфные кабели и масштабные длинноволновые радиостанции, хотя некоторые существующие трансатлантические телеграфные кабели и коммерческие длинноволновые станции связи оставались в эксплуатации до 1960-х годов. Кабельные компании начали нести значительные убытки в 1927 году, и серьезный финансовый кризис угрожал жизнеспособности кабельных компаний, имевших стратегическое значение для Великобритании. Британское правительство созвало Имперскую конференцию по беспроводной связи и кабелям в 1928 году "для изучения ситуации, сложившейся в результате конкуренции Beam Wireless с кабельными службами". Конференция рекомендовала и получила одобрение правительства на объединение всех зарубежных кабельных и беспроводных ресурсов империи в единую систему, контролируемую вновь образованной компанией Imperial and International Communications Ltd. в 1929 году. В 1934 году название компании было изменено на Cable and Wireless Ltd.