88

6. PROPAGAREA UNDELOR IONOSFERICE

6.1. Prezentarea ionosferei. Structura ionosferei reale Prin ionosferă se înţelege acel domeniu ionizat al atmosferei care se află

la înălţimi mai mari de 60 km faţă de suprafaţa Pământului. Fenomenul de ionizare constă în eliberarea unuia sau (mai rar) a mai

multor electroni din pătura exterioară a atomului. Ca urmare, echilibrul electric se strică şi atomul capătă una sau mai multe sarcini elementare, devenind ioni pozitivi.

Extragerea unui electron din pătura exterioară a atomului se face prin consum energetic, efectuându-se un lucru mecanic, numit lucru mecanic de ionizare (W) sau lucru mecanic de ieşire.

Metodele de ionizare cunoscute sunt fotoionizarea şi ionizarea prin şoc. Fotoionizarea se produce când cuanta de energie a radiaţiei care

acţionează asupra gazului h γ > W, iar ionizarea prin şoc se face prin ciocnirea electronului cu o particulă, care posedă o cantitate suficientă de energie cinetică.

La suprafaţa Pământului sosesc numai acele raze ultraviolete a căror lungime de undă depăşeşte 2900 Å. Razele ultraviolete, mai scurte, sunt în întregime absorbite în straturile superioare ale atmosferei. Puterea lor este consumată pentru ionizare, pentru disociere şi pentru formarea stratului de ozon. De asemenea, ionizarea atmosferei poate fi produsă numai de acele particule, cu masa egală cu masa electronului, a căror viteză depăşeşte 2100 km/s.

Principala sursă de ionizare este soarele. Alte surse de ionizare sunt: stelele, meteoriţii, razele cosmice şi praful

cosmic. Atmosfera reală nu este omogenă din punct de vedere al compoziţiei sale,

temperatura atmosferei nu este constantă, iar ionizarea atmosferei nu se datorează numai unei radiaţii ultraviolete monocromatice, ci şi unor radiaţii dintr-o gamă largă de frecvenţe şi a unor fluxuri de particule elementare.

Informaţiile obţinute cu staţiile ionosferice de sondaj vertical indică prezenţa a patru straturi ionizate distincte. Aceste straturi au primit denumirea de stratul D, E ,F1 şi F2, în ordinea înălţimilor la care se găsesc.

Ziua se disting patru domenii: D (60-90 Km); E (100-140Km), F1 (180-240), F2 (230-400 Km). Noaptea straturile D şi F1 dispar, iar concentraţia electronică a straturilor E şi F2 se micşorează într-o oarecare măsură. Stratul F1 apare numai în lunile de vară, la amiază.

Straturile D, E şi F1 sunt straturi foarte stabile, adică variaţia concentraţiei electronice şi a înălţimii la care apare maximul de ionizare, se repetă de la o zi la alta. În stratul F2 apar foarte des perturbaţii ionosferice.

6.2. Propagarea undelor ionosferice

89

6.2.1. Propagarea undelor foarte lungi şi lungi

Se numesc unde foarte lungi (UFL), undele care au lungimea de undă mai mare de 104 m, adică frecvenţa mai mică de 30 KHz.

Se numesc unde lungi (UL), undele care au lungimea de undă cuprinsă în gama 103 ÷ 10 m, adică frecvenţa în gama 30 ÷ 300 KHz.

Undele din aceste game se propagă sub forme de unde spaţiale, ca urmare a reflexiilor succesive care au loc între suprafaţa Pământului şi limita inferioară a stratului D în timpul zilei şi a stratului E noaptea. UFL şi UL se propagă într-un ghid de undă sferică, un perete al acestuia fiind format din suprafaţa Pământului, iar celălalt, din limita inferioară a ionosferei. Ca şi în ghidurile de undă metalice, undele reflectate de ionosferă şi suprafaţa Pământului interferează şi formează câmpul electromagnetic al undelor dirijate de ghidul de undă dat.

Formele de propagare ionosferică a undelor lungi şi foarte lungi pot fi studiate prin rezolvarea problemei propagării undelor într-un ghid de undă sferic la care, suprafaţa interioară se comportă ca un conductor, iar cea superioară, ca un semiconductor. Problema poate fi rezolvată prin acceptarea a două ipoteze simplificatoare, şi anume: suprafeţele ghidului sunt perfect conductoare şi fluxul de putere a undelor poate fi considerat independent de altitudine la o distanţă destul de suficient de mare de antenă.

Dacă se notează cu PΣ puterea radiată de o antenă nedirectă, situată în punctul A (fig.6.1) atunci în punctul B modulul vectorului densitate flux de putere, este dat de relaţia

= ∑

2mW,

ADP

S (6.1)

unde: D este coeficientul de directivitate al antenei; A este aria suprafeţei pe care se distribuie puterea undelor şi

reprezintă aria laterală a conului de rotaţie, cu axa OA şi generatoarea OC, cuprinsă între sferele cu razele a şi a + h.

Fig. 6. 1 Determinarea fluxului de putere

90

Deoarece h << a, aria suprafeţei A poate fi determinată prin înmulţirea lungimii circumferinţei de rază medie DC cu înălţimea h, măsurată de-a

lungul generatoarei 2hBC = :

θ

+=π≈ sinhhahDCA

222 [m2]. (6.2)

Din (6.1) şi (6.2) rezultă:

,mW,

sinh2ha2

DPS 2

θ

+π

= ∑ (6.3)

Pe de altă parte

,mW,F

r4DP

S 22

2

π= ∑ (6.4)

unde r este distanţa la care se propagă undele, iar F este factorul de atenuare a intensităţii câmpului electric.

Din (6.3) şi (6.4) rezultă:

θ

+

=sinh

2ha2

r2F (6.5)

Înlocuind în Eef=

∑

mmV,F

rDP173

,

rezultă:

Eef=

θ

+

∑

mmV,F

sinh2ha

DP245, (6.6)

unde PΣ este exprimat în KW, iar a şi h în km. Dacă se ţine cont de acţiunea absorbantă a atmosferei şi ionosferei, relaţia

(6) devine

Eef=

θ

+

⋅α−∑

mmV,e

sinhha

DP r20

2

245 (6.7)

unde α este constanta de absorbţie exprimată în dB/km, iar r este lungimea medie drumului parcurs de unde este dată de relaţia

r≈112 θ [Km], unde θ se exprimă în grade. Reflectându-se în straturile stabile E şi D, UL şi UFL sunt caracterizate

prin constanţa condiţiilor de propagare. Aceasta se manifestă prin aceea că, propagarea acestor unde nu este însoţită de variaţii bruşte şi mari ale

91

intensităţii câmpului electric de recepţie, nu apar întreruperi neaşteptate ale comunicaţiilor radio etc.

Pentru calculul intensităţii câmpului electric se utilizează şi formula lui Austin, stabilită pe baza generalizării rezultatelor obişnuite prin măsurării.

θθ

= λ−∑

mmVe

sinrDP

Er,

ef,60

00140300 (6.8)

unde: PΣ este exprimat în KW, iar r şi λ în Km. În cazurile în care se cunoaşte înălţimea efectivă a antenei, calculele se fac cu relaţia:

θθ

λπ

= λ−

mmVe

sinrIhE

r, efef

ef,60

00140120 , (6.9)

în care hef şi λ de la numitor sunt exprimate în m, Ief în A, iar λ de la exponent şi r sunt exprimate în Km.

Relaţiile (6.8) şi (6.9) permit determinarea intensităţii câmpului electric la propagarea undelor deasupra mării în timpul zilei, dar pot fi şi folosite şi în cazurile propagării undelor deasupra uscatului, începând însă de la distanţele de 2000-3000 Km.

În toate cazurile, relaţiile pot fi folosite până la distanţe ce nu depăşesc 16000÷18000 Km.

6.2.2. Propagarea undelor medii

Se numesc unde medii (UM) undele având lungimea de undă cuprinsă între 100÷1000 m, iar frecvenţa în gama 300 KHz şi 3 MHz.

Refexia undelor medii se produce la nivelul statului E, unde concentraţia electronilor este mai mare.

Undele medii, pe timpul propagării ionosferice, trec de două ori prin stratul D ziua şi reflectate de stratul E (fig.6.2). În ambele straturi are loc absorbţia undelor radio. Absorbţia undelor medii în straturile D şi E în timpul zilei, este mult mai mare în stratul E în timpul nopţii. Absorbţia în timpul zilei creşte pe măsura micşorării lungimii de undă.

Fig. 6.2 Propagarea undelor medii

92

Altă particularitate a UM este apariţia fedingului. Dacă punctul de recepţie (B) se află în zona de acţiune a undei de suprafaţă , iar noaptea şi a undei ionosferice 2, atunci în acest punct are loc interferenţa celor două unde. Variind concentraţia electronică a stratului E, se modifică înălţimea la care are loc reflexia undelor şi viteza de propagare a fazei undei, ceea ce duce la un defazaj între cele două unde care interferează. Modificându-se concentraţia electronică a stratului E, se modifică şi constanta de absorbţie, ceea ce duce la modificarea amplitudinii câmpului rezultant.

Fig.6.3. Fedingul în gama undelor medii

Dacă variaţiile concentraţiei electronice sunt neaşteptate, necunoscute

dinainte, atunci variaţia intensităţii câmpului electric în punctul de recepţie, se numeşte feding.

Durata medie a fedingului în această gamă este de ordinul secundelor şi a zecilor de secunde. Când staţia de recepţie este în afara zonei de acţiune a undelor de suprafaţă, fedingul poate să apară în urma interferenţei a două unde ionosferice (fig.6.3 b). Fedingul este un fenomen nedorit, care perturbă condiţiile normale de recepţie.

Efectele fedingului pot fi micşorate sau înlăturate prin metode pasive şi active.

Variaţiile diurne ale intensităţii câmpului electric în punctul de recepţie sunt foarte importante în gama undelor medii. Noaptea, câmpul din punctul de recepţie este rezultatul interferenţei dintre unda de suprafaţă şi cea ionosferică.

Calculul intensităţii câmpului electric al undelor medii se poate face cu ajutorul formulei empirice

,,1023326,041094,8

µ=

−− λ⋅−∑

mVe

rDP

Er

ef (6.10)

unde PΣ se exprimă în KW, iar r şi λ în Km. Relaţia (6.10) poate fi utilizată pentru determinarea intensităţii medii a

câmpului electric în timpul nopţii. Se observă că Eef scade cu scăderea lui λ. Pentru determinarea intensităţii câmpului electric s-au întocmit şi o serie

de grafice şi nomograme.

93

6.2.3. Propagarea undelor scurte Se numesc unde scurte (US) undele a căror lungime de undă este cuprinsă

intre 10m şi 100m, ceea ce corespunde unei game de frecvenţă de la 3 la 30 MHz. Ca şi undele lungi şi medii, undele scurte se propagă atât ca unde de suprafaţă, cât şi ca unde ionosferice.

Din cauza absorbţiei ridicate a undelor scurte de către sol, undele de suprafaţă se propagă, în cazul puterilor obişnuite ale emiţătoarelor, la distanţe care nu depăşesc câteva zeci de Km.

În cazul propagării ca unde ionosferice, US pot fi folosite pentru radiocomunicaţii la distanţe oricât de mari. Aceasta se datorează faptului că, propagându-se prin ionosferă, undele scurte suferă o absorbţie relativ mică, care se micşorează pe măsura creşterii frecvenţei.

În condiţii normale de propagare ionosferică a US, fiecare dintre straturile ionosferei îndeplineşte o funcţie bine determinată. Straturile D şi E sunt straturi absorbante, iar F2 este stratul reflectant (fig. 6.4).

Fig. 6.4 Propagarea undelor US

Absorbţia US în cazul reflexiei în F2 este mult mai mică decât absorbţia

pe care o suferă US în cazul trecerii prin straturile D şi E pe drumul dus şi întors. Gradul de absorbţie al US este caracterizat de factorul de atenuare

,l)dlR

α−=Γ ∫

0(exp (6.11)

unde: α(l)- constanta de atenuare; R –lungimea porţiunii de traiectorie de-a lungul căreia are loc absorbţia. Dacă se ţine cont că în cazul US densitatea curenţilor de deplasare este

mult mai mare decât a curenţilor de conducţie şi de faptul că permitivitatea mediului ionizat

94

εir≈1 şi ω2>>γ2, rezultă L≈1,35⋅10-7 ,m1;

fN

2

ν (6.12)

unde: ν reprezintă numărul de ciocniri pe secundă între electronii liberi şi moleculele neutre; ω – pulsaţia oscilaţiilor; N – concentraţia electronică.

Relaţia (6.12) arată că constanta de atenuare variază invers proporţional cu pătratul frecvenţei, precum şi faptul că pentru o valoare dată a frecvenţei, gradul de absorbţie este determinat de produsul dintre concentraţia electronică şi numărul de ciocniri.

Pentru stratul E, Nν=10-7, iar pentru F2, Nν=10. În consecinţă, constanta de atenuare a undelor scurte în stratul E este de

aproximativ 100 ori mai mare decât în stratul F2. În general se poate neglija absorbţia undelor în stratul F2 în comparaţie cu cea din stratul E.

În condiţii reale de propagare a US acestea sunt absorbite nu numai în zona concentraţiei electronice maxime a stratului E, unde este valabilă relaţia (6.12), ci şi în celelalte domenii ale ionosferei. În aceste domenii numărul de ciocniri este comparabil cu pulsaţia, deci în relaţiile de calcul γ nu mai poate fi neglijat în raport cu ω, iar constanta de atenuare are altă dependenţă faţă de frecvenţa undelor.

La realizarea unei linii de radiocomunicaţie pe unde scurte, trebuie să fie îndeplinite simultan două condiţii:

– frecvenţa undelor trebuie să fie mai mică decât valoarea maximă determinată pentru lungimea liniei de radiocomunicaţie dată şi pentru lungimea liniei de radiocomunicaţie dată şi pentru gradul de ionizare a stratului reflectat la momentul dat;

– absorbţia undelor nu trebuie să fie exclusiv de mare. Prima din aceste condiţii arată că, o anumită linie de radiocomunicaţie, în

anotimpul şi ora propusă, se pot folosi undele a căror frecvenţă nu depăşeşte o anumită valoare maximă. Această condiţie limitează partea superioară a gamei de frecvenţă folosite.

Cealaltă condiţie limitează partea inferioară a gamei, deoarece, cu cât este mai mică frecvenţa folosită, cu cât este mai mare absorbţia. Prima condiţie este foarte critică.

Dacă această condiţie nu este îndeplinită, undele nu se vor mai reflecta de stratul F2 şi, independent de puterea emiţătorului, nu vor ajunge în punctul de recepţie. A doua condiţie nu este critică. Se poate lucra cu putere mai mare şi cu antene mai directive.

Distanţa la care poate să ajungă undele printr-o reflexie depinde de frecvenţa undelor şi de unghiul de înălţare sub care pleacă undele de la suprafaţa Pământului (fig.6.5). Undele cu frecvenţă mai mare se reflectă la înălţime mai mare deci şi distanţa la care ajung o să fie mai mare. Undele care

95

pleacă sub un unghi de înălţare mai mic se propagă la o distanţă mai mare. Dacă se aleg în mod corespunzător frecvenţa undelor şi unghiul de înălţare, atunci se poate realiza lungimea liniei de radiocomunicaţie dorită.

Fig. 6.5 Distanţa la care se propagă undele printr-o reflexie

Totul, însă, depinde de concentraţia electronică a stratului F2 la momentul

considerat. Undele din gama de la 10 la 100 m folosite pentru radiocomunicaţii la distanţe mari, se împart în trei subgame, şi anume:

- undele de zi (10 ≤ λ ≤ 25 m); - undele de noapte (35 ≤ λ ≤ 100 m); - undele intermediare (25 ≤ λ ≤ 100 m).

O astfel de împărţire este însă convenţională, iar limitele dintre aceste

subgame depind foarte mult de anotimp, de faza perioadei activităţii solare, precum şi de poziţia geografică a liniei de radiocomunicaţie.

În figura 6.6 se prezintă posibilităţile de propagare a modelelor din aceste subgame.

Fig. 6.6 Traiectoriile posibile ale undelor scurte

96

Undele de zi ziua, undele de noapte noaptea şi undele intermediare şi ziua şi noaptea au traiectoria notată cu 1. Undele de zi noaptea pot avea traiectoria 2, adică aceste unde s-ar putea să fie reflectate datorită concentraţiei electronice insuficient de mare.

Undele de noapte ziua pot urma traiectoria 3. În ceea ce priveşte propagarea undelor US, aceasta nu are condiţii

constante, aşa cum are cea a undelor lungi şi medii. Aceasta se explică prin faptul că stratul F2 nu are o structură constantă ca

şi straturile D, E. şi F. Caracterul variabil al structurii stratului F2 influenţează în mod deosebit propagarea undelor scurte.

Variaţia structurii ionosferei de la o zi la alta, de la o oră la alta, precum şi faptul că stratul F2 este supus influenţei perturbaţiilor ionosferice, duc la apariţia unor variaţii mari ale nivelului semnalului.

Fig. 6.7 Fedingul de interferenţă

La recepţionarea semnalelor în gama undelor scurte, fedingul se manifestă

printr-o variaţie dezordonată, aleatoare a nivelului semnalului. Amplitudinea câmpului electric variază în limite largi. Perioada fedingului (intervalul de timp între două minime sau maxime succesive) variază de la câteva zeci de secunde, până la zecimi de secundă. În cazul US fedingul este rezultatul interferenţei mai multor unde ajunse în punctul de recepţie în urma reflexiei din ionosferă. Se deosebesc două tipuri de feding:

– prin interferenţă (fig. 6.7); – prin polarizare. În fig 6.7 este reprezentat cazul în care în punctul B sosesc două unde pe

drumuri diferite. În cele trei domenii în care au loc reflexiile, concentraţia electronică variază aleator şi în mod diferit, ceea ce duce la modificarea înălţimilor la care au loc reflexiile (deci modificarea traiectoriilor), a vitezei de propagare şi a constantei de atenuare. Datorită acestora variază faza şi amplitudinea câmpurilor care interferează, deci variază şi amplitudinea câmpului rezultat.

În figura 6.7 b s-a considerat că fedingul apare datorită interferenţei în punctul B a undei obişnuite (ordinare) cu cea obişnuită (extraordinare) de la o altă rază.

97

Un asemenea tip de feding este mai pronunţat, deoarece cele două unde se propagă cu viteze diferite şi sunt absorbite în ionosferă în mod diferit.

Unda obişnuită şi cea neobişnuită apar datorită comportării ionosferei ca un mediu anizotrop.

În fig.6.7 c s-a ţinut cont de faptul că, neomogenităţile locale din ionosferă duc la reflexii parţial difuze, în locul reflexiei pure a undelor. După trecerea prin ionosferă unda apare ca un fascicul de unde care conţine o mulţime de unde (raze) elementare.

În acest mod în punctul de recepţie B, ajung mai multe unde elementare, care fac parte din diferite fascicule.

Pe lângă fedingul de interferenţă apare şi fenomenul de feding de polarizare, datorită schimbării polarizării undelor la trecerea prin ionosferă.

Acţiunea celor două tipuri de fedinguri duce la un feding total (fig. 6.8).

Fig.6.8 Fedingul general (total)

Propagarea US se caracterizează printr-o particularitate nemaiîntâlnită la

alt tip de unde şi anume, prezenţa aşa numitei zone de tăcere, prin care se inţelege o zonă inelară, care înconjoară emiţătorul şi în care recepţia semnalului este imposibilă (fig.6.9).

Fig. 6.9 Zona de tăcere

98

Existenţa zonei de tăcere la propagarea US este condiţionată de faptul că undele de suprafaţă, suferind o absorbţie puternică, nu ating limitele exterioare ale zonei de trecere. Pe de altă parte, undele ionosferice ajung numai în puncte situate în afara limitelor zonei de tăcere datorită unghiului de înălţime mare.

Absorbţia relativ redusă, suferită de undele radio în cazul propagării lor la distanţe mari, face posibilă înconjurarea globului pământesc de către acestea. În condiţii favorabile se observă cazuri de propagare multiplă a undelor în jurul Pământului ceea ce duce la fenomenul de ecou.

Ecranul se poate datora atât undei directe (1 în fig.6.10) cât şi undei inverse (2 în fig. 6.10). Atât ecoul direct, cât şi cel invers poate fi multiplu.

Fig. 6.10 Ecoul în gama undelor scurte Ţinând seama de faptul că pentru propagarea undelor în jurul Pământului

la ecuator sunt necesare 0,13 s, rezultă că diferenţa de timp între sosirea semnalelor care înconjoară de un număr diferit de ori globul Pământesc, va fi un multiplu de 0,13 secunde.

Această întârziere relativ mare a semnalelor ecou este sesizată de urechea omenească. Pentru ca să apară ecoul este necesar ca ionosfera să se găsească în acelaşi regim de ionizare pe toată traiectoria undelor. Această condiţie poate fi îndeplinită numai în zona de semiiluminare a Pământului, care reprezintă o fâşie relativ îngustă şi care se mută pe suprafaţa Pământului odată cu rotirea acestuia.

6.2.4.Propagarea undelor metrice (unde ultrascurte)

Sunt undele cu lungimea de undă cuprinsă între 1 m şi 10 m, iar frecvenţa între 30 MHz şi 300 MHz.

În anii în care activitatea solară este maximă undele metrice pot fi utilizate pentru legături radio la distanţe foarte mari. Undele metrice se pot propaga la distanţă mare şi datorită fenomenului de dispersie în ionosferă.

Se remarcă faptul că undele metrice sunt singurele care se propagă atât ca unde ionosferice, troposferice, cât şi ca unde de suprafaţă.

99

De asemenea, pot trece prin ionosferă, deci pot fi utilizate pentru legături cosmice.

6.2.5. Propagarea undelor foarte scurte (microunde)

Sub numele de unde foarte scurte se înţeleg undele: decimetrice, centimetrice şi milimetrice. Pentru:

- undele decimetrice:-10-1 < λ < 1 m, (300 MHz < f < GHz); - undele centimetrice- 10-2 < λ < 10-1 .m, (3 GHz < f < GHz); - undele milimetrice 10-3<λ<10-2m, (30 GHz < f < 300 GHz). Undele decimetrice şi centrimetrice nu se reflectă în ionosferă, deci nu pot

fi folosite ca unde ionosferice. Undele din aceste game se propagă la distanţe mici ca unde de suprafaţă şi la distanţe mari ca unde troposferice. Aceste unde trec uşor prin ionosferă şi pot fi utilizate la realizarea legăturilor cosmice.

Undele milimetrice nu sunt influenţate de ionosferă.