長距離無線通信における電離層の役割。スキーム、説明

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長距離無線通信における電離層の役割。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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長距離にわたる無線送信は、地球の大気の上部に反射層が存在するためにのみ可能です。これらの層は、太陽光の紫外線がガス分子の一部を正に帯電した粒子 (イオン) と電子に分割するために形成されます。このようなプロセスは電離と呼ばれ、大気の電離領域は通常電離層と呼ばれます。電離層に侵入した電波は屈折し、十分に電離すると地球に戻ってきます。図 1 は考えられる XNUMX つのケースを示しています。電離の程度に応じて電離層に電波をもたらしますが、「a」の場合は電離が弱く、電波は経路をわずかに曲げながら層を通過します。

米。 1（クリックで拡大）

ケース b では、電離は波が反射されて地面に戻るのに十分であり、最終的にケース c では、電離が非常に強いため波は完全に吸収されます。

長距離無線通信における電離層の役割
図。 2

図上。図 2 は、ある程度のイオン化を伴う、長さ 20 メートルと 10 メートルの 20 つの電波の経路を示しています。長さ10メートルの波（実線）は電離層で反射して地球に戻ってきます（長さ20メートルの波（点線）は層内でわずかに曲がって惑星間空間に入ります。すべての波は長めです） 10 メートルより短い波も反射され、XNUMX メートルより短い波は電離層を通過します。送信周波数が低いほど反射の確率が大きくなり、層内のイオン化が強いほど、より高い周波数がそこから反射されます。。

沈黙のゾーン

電波がイオン化層に当たる角度が重要です。沈黙のゾーンは、イオン化が「急な角度で入射する波を反射するのに不十分な場合に発生します。ただし、小さな角度で入射する波は反射されます。図 3 に示すように、すべての波は、ある臨界値より大きい角度でアンテナから放射されます。」角度を変えて層を通過すると、より小さい角度で放射された波が地面に戻ります。

長距離無線通信における電離層の役割
図。 3

無音ゾーンの前では、表面波により信号は送信機のすぐ近くでのみ聞こえます。

点 A で地球に入射したビームがその表面で反射し、再び地層に当たり、再び反射されて点 B ですでに地球に戻ってくることがよく観察されます。この種の二重、三重、および多重反射は非常に頻繁に発生します。高周波での送信、特に長距離の送信時。図上。図 3 は、信号が XNUMX 回の反射後にポイント B に到達する可能性があることを示しています。ポイント B に到着する両方の信号の強度がほぼ同じである場合、干渉による非常に強いフェージングが発生する可能性があります。

無音ゾーンの幅によって、そのうちの 20 つだけを聞いて、さまざまな範囲の波の通過条件をおおよそ判断できます。 200 メートルの範囲内で、わずか 10 km 離れたところにある放送局を聞くことができると仮定しましょう。これは、この電離により、2000 メートルの信号も地球に戻ってくる可能性があることを示しています。確かに、これらの周波数では、沈黙のゾーンはおそらく最大 20 km まで広がるでしょう。 40 メートルの波に非常に狭いデッドゾーンがある場合、XNUMX メートルの波には沈黙のゾーンはありません。

無音地帯が長距離に及ぶと、遠くの放送局しか聞こえなくなります。イオン化が進むと狭くなり、近くの駅が現れ始めます。この場合、XNUMX つの理由により、遠方のステーションが失われ始めます。第一に、近くのうるさい放送局によって詰まります。第二に、高いイオン化により、イオン化された領域で遠くまで伝わる遠くの放送局からの信号が吸収されます。不感帯が広く、動作周波数が高いほど、長距離通信の可能性が高くなります。

大気の上層での電離は太陽放射によって引き起こされるため、昼と夜では短波の通過条件が大きく異なります。たとえば、通常の冬の日における通信状態の変化を考えてみましょう。日の出前の早朝の時間帯は、電離が非常に弱くなります。この場合、10 メートルの範囲は完全に聞こえなくなり、20 メートルでは非常に遠いいくつかの局だけが聞こえます。ただし、周波数が低い場合は、通常の動作にはイオン化で十分です。したがって、40メートルの波では長距離通信に適した条件が得られ、160メートルの波もよく通過します。太陽が昇ると、イオン化は急速に増加し始め、午後には最大に達します。正午が近づくと（すべての帯域で不感帯が狭くなり、日の出から約 10 時間で電離が起こり、20 メートル帯域の電波を反射するのに十分です。正午頃には、10 メートル帯域は比較的近くの局で埋まり、現時点ではXNUMXメートルの長距離通信が可能日没後は中性原子や分子の逆還元が始まるため、電離が減少します。

無音のゾーンは音域ごとに徐々に拡大していきます。最初は10メートルの電波の受信が止まり、次に20メートルの電波の受信が止まります。

磁気嵐

日によっては、範囲内のアマチュア局の数が通常の日に比べて急激に減少し、すべての信号が非常にフェードし、常に聞こえる多くの局が消え、これまで受信したことのない新しい、ほとんどが遠方の局が観測される日もあります。現れる。これらの現象は磁気嵐によって引き起こされ、通常は非常に安定している地球の磁場が大きな変化を起こします。磁気嵐は常にイオン化の減少を伴います。その結果、沈黙のゾーンが拡大し、夜間の伝播状態が一日中続く可能性があります。磁気嵐が発生すると、通常、高周波数帯域のステーションが通常の日よりもはるかに早く消滅します。距離が 20 メートルであれば、正午頃には長距離通信に適した条件になりますが、通常の日のこの時間帯では、最大 2000 km の距離でしか通信できません。磁気嵐はXNUMX日から数日間続きます。このときに発生する電離層の擾乱は、多くの歪みを伴う大きなフェージングを引き起こします。

近距離での通信は通常切断され、仕事のためにはより長い電波に切り替える必要がありました。

反射層と異常なイオン化

電離層は通常、いくつかの電離層で構成されています。このうち電波の伝播に最も大きな役割を果たしているのはE層とF層で、地表からの高さはE層が約100km、F層が220～240kmです。これらの層は、地表近くの天候の影響をまったく受けません。

昼間のレイヤー F は 1 つのレイヤー F2 と F2 に分かれます。最初のものは 1 つ目よりも若干低い位置にあります。 F1層はF2層、E層に比べてイオン化が強く、短波の伝送に大きな役割を果たしており、適度にイオン化されたE層、F4層を透過した高周波信号は、より強くイオン化されたF160層で十分に反射され、図 XNUMX に示すように、低周波数では E 層が重要であり、XNUMX メートルでの通信のほとんどはこの層からの反射によるものです。

長距離無線通信における電離層の役割
図。 4

E 層には、異常 E 層と呼ばれる非常に強い電離が発生する領域が時折存在しますが、E 層の異常電離はいつでも発生する可能性があり、その原因は不明です。異常な電離の場合、E 層によって波が 5 メートルおよび 10 メートルで反射される可能性があります。

デリンジャー効果と呼ばれるもう XNUMX つの異常現象は、地球の照らされた部分での短波通信の完全な中断です。デリンジャー効果の原因は太陽の噴火であると考えられており、下部電離層での電離の非常に大きな増加を引き起こします。その結果、短い電波は吸収されてしまいます。このとき、超短波による長距離通信が可能な場合もあります。デリンジャーの効果は数分から数時間続く場合もあります。

季節の変化

F2 層のイオン化は冬に最大値に達し、一日の最大値は午後に発生します。これは、最も狭いデッドゾーンは冬の日の正午以降であることを意味し、この時間帯では、たとえば 10 メートルの波などの非常に高い周波数で信頼性の高い通信が可能です。夏には、冬ほど電離は大きくなく、層の 10 日の最大値は日没に向かって移動します。したがって、夏の 20 メートルの波の場合、無音ゾーンがさらに広くなり、これらの波では通信が不可能になることがよくあります。夏には波高 40 メートルと 5 メートルのサイレンスゾーンが増加するため、長距離通信の条件が改善されることが期待できますが、数千キロメートルの距離では、明るい場所と暗い場所の比率によって状況が複雑になります。地球儀。赤道を越えて送信する場合、リンクの一方の端では夏の条件が優先され、もう一方の端では冬の条件が優先される場合があります。長距離通信に最適な条件は、春と初秋です。春から夏にかけて、E 層からの異常な反射が非常に多く発生し、これらの反射により、数時間にわたる 10 メートルおよび 10 メートルの長距離通信に良好な条件が提供されることがあります。冬の状態から夏の状態への移行、またはその逆の移行はスムーズに起こりません。春と秋は電離層が不安定な状態になるのが特徴です。これは、XNUMX メートルバンドを定期的に練習しているアマチュアにとって特に顕著です。

臨界周波数

臨界周波数は、信号が特定の層に直角に入射した場合に、その層から依然として反射される最高周波数です。信号が直角に反射されると、他のすべての角度にも反射されるため、臨界周波数以下のすべての周波数に沈黙のゾーンは存在しません。臨界周波数は層の電離度を示し、「電波天気」の予測、通信に最も好ましい電波の選択、沈黙地帯の長さの計算などに使用できます。臨界周波数は電離層観測所で測定されます。ソビエト連邦にはそのような観測所がいくつかあり、そのうちの XNUMX つはフランツ・ヨーゼフ・ランドのティカヤ湾にあり、世界最北の電離層観測所です。

過去 3 ～ 4 年で、10 メートルと 5 メートルの長距離通信が以前よりも多く行われました。これは、一方ではこれらの帯域で運用するアマチュア無線家の数の急増によって説明され、他方では黒点活動の 11 年周期の影響によって説明されます。大気の電離は黒点の数と密接に関係しています。年間を通じて観察されるスポットが多いほど、イオン化の度合いは大きくなります。黒点は長い間注目されてきました (天文学者による観測とその数の記録は 1750 年以来定期的に保管されています。これらの記録は、黒点の数が通常 11 年ごとに最大値に達することを示しています。最後の最大値は 1939 年と 1940 年でした。平均過去 10 年間のイオン化レベルは年々増加しており、その結果、より高い周波数が反射されるようになりました。5 年から 1940 年にかけての冬の 41 メートルと 1939 メートルの波での通信条件は、すでに当時よりも若干悪化しています。これらの波で利用できる時間は減少し、これらのバンドの活動は 40 年か 1944 年に底を迎えるでしょう。その時までに、1945 メートルバンドの状況は、昨年 20 メートルで見られたものと同様になるでしょう。 10 メートル帯域は再び長距離通信に適したものになります。

VHFでの長時間通信

超短波の周波数は高すぎるため、F2 層で反射されません。このような反射が観察される場合、太陽黒点最大時などの非常に高いイオン化期間中に発生し、信号が非常に鈍角で層に入る長距離伝送中に発生します。過去数年間、米国の夏の間に観察された5メートル帯域の多数のリンクは、E層の異常なイオン化によって説明されます。

これらの接続のほとんどは夕方に行われました。電離層の測定によると、夏には異常E層が日の出前と夕方に形成されることが多く、その面積は時には数平方キロメートルにすぎないこともあります。このため、VHFでの通信はごく限られた地点間でのみ可能です。ただし、このようなサイトがさまざまな場所に同時に多数存在する場合、VHF 通信状態は非常に良好になる可能性があります。

著者: B. キトロフ

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