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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Le rôle de l'ionosphère dans les radiocommunications à longue portée. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / réception radio La transmission radio sur de longues distances n'est possible que grâce à l'existence de couches réfléchissantes dans la partie supérieure de l'atmosphère terrestre. Ces couches se forment parce que les rayons ultraviolets du soleil décomposent certaines molécules de gaz en particules chargées positivement – des ions – et des électrons. Ce processus est appelé ionisation, et la région ionisée de l'atmosphère est généralement appelée ionosphère. Les ondes radio, pénétrant dans l'ionosphère, sont réfractées et, avec une ionisation suffisante, peuvent retourner sur la terre. La figure 1 montre trois cas possibles de rapprochement ondes radio dans l'ionosphère, en fonction du degré d'ionisation. Dans le cas "a", l'ionisation est faible et les ondes traversent la couche en ne courbant que légèrement leur trajectoire.
Dans le cas "b" l'ionisation est suffisante pour que les ondes soient réfléchies et reviennent vers la terre, et enfin, dans le cas "c" l'ionisation est si forte que les ondes sont complètement absorbées.
En figue. La figure 2 montre le trajet de deux ondes radio d'une longueur de 20 et 10 mètres avec un certain degré d'ionisation. Les vagues de 20 mètres de long (lignes pleines) sont réfléchies par l'ionosphère et retournent vers la terre (les vagues de 10 mètres de long (lignes pointillées) ne sont que légèrement courbées par la couche et vont dans l'espace interplanétaire. Toutes les vagues de plus de 20 mètres seront également réfléchi et les ondes de moins de 10 mètres pénétreront à travers l'ionosphère. Plus la fréquence transmise est basse, plus la probabilité de réflexion est grande et plus l'ionisation dans la couche est forte, plus la fréquence sera toujours réfléchie par celle-ci. ZONE DE SILENCE L’angle selon lequel les ondes radio frappent la couche ionisée est essentiel. Une zone silencieuse se produit lorsqu'il y a une ionisation insuffisante pour réfléchir les ondes incidentes à des angles abrupts, mais les ondes incidentes à de petits angles seront toujours réfléchies. Comme le montre la figure 3, toutes les ondes émises par l'antenne sous un angle supérieur à un certain angle critique passent. à travers la couche et les ondes émises sous un angle plus petit retournent vers le sol.
Avant la zone de silence, les signaux ne sont entendus qu'à proximité immédiate de l'émetteur en raison de l'onde de surface. On observe souvent qu'un rayon incident sur la Terre au point A est réfléchi depuis sa surface, entre à nouveau dans la couche, est réfléchi à nouveau et revient sur la Terre au point B. Des réflexions doubles, triples et multiples de ce type sont très souvent se produisent lors de la transmission à hautes fréquences, en particulier sur de longues distances. En figue. La figure 3 montre que le signal peut également atteindre le point B après une seule réflexion. Si les deux signaux arrivant au point B sont à peu près de même intensité, un évanouissement très important dû aux interférences peut se produire. Par la largeur de la zone de silence, vous pouvez juger approximativement des conditions de passage d'ondes de différentes portées, en n'écoutant que dans l'une d'entre elles. Supposons que les stations situées à seulement 20 km puissent être entendues dans un rayon de 200 mètres. Cela indique qu’avec une telle ionisation, les signaux à des longueurs d’onde de 10 mètres sont susceptibles de revenir également sur Terre. Certes, à ces fréquences, la zone de silence s'étendra probablement jusqu'à 2000 20 km. S'il existe une zone morte très étroite pour des vagues de 40 mètres, alors pour des vagues de XNUMX mètres, il n'y a pas de zone de silence. Lorsque la zone de silence s'étend sur une longue distance, on n'entend que les stations lointaines. À mesure que l'ionisation augmente, elle se rétrécira et des stations proches commenceront à apparaître. Dans le même temps, nous commencerons à perdre des stations distantes pour deux raisons. Premièrement, ils seront obstrués par des stations bruyantes à proximité et, deuxièmement, une ionisation élevée provoque l'absorption des signaux provenant de stations distantes qui parcourent de longues distances dans des zones ionisées. Plus la zone morte est large et plus la fréquence de fonctionnement est élevée, plus la communication longue distance est probable. Étant donné que l'ionisation dans les couches supérieures de l'atmosphère est provoquée par le rayonnement solaire, les conditions de passage des ondes courtes pendant la nuit et le jour seront très différentes. Considérons, par exemple, un changement dans les conditions de communication lors d'une journée normale d'hiver. Tôt le matin, avant le lever du soleil, l'ionisation est très faible. Dans ce cas, la portée de 10 mètres sera complètement morte, et sur 20 mètres on n'entendra que quelques stations très éloignées. Cependant, pour les fréquences plus basses, l'ionisation sera suffisante pour un fonctionnement normal. Ainsi, sur des vagues de 40 mètres, les conditions seront bonnes pour la communication longue distance, les vagues de 160 mètres passeront également bien. À mesure que le soleil se lève, l’ionisation commence à augmenter rapidement et atteint son maximum dans l’après-midi. À l'approche de midi (la zone morte se rétrécira sur toutes les bandes et environ deux heures après le lever du soleil, l'ionisation est suffisante pour refléter les ondes dans la gamme des 10 mètres. Vers midi, la gamme des 20 mètres sera remplie de stations relativement proches, et de longues -La communication à distance est actuellement possible sur 10 mètres. Après le coucher du soleil, l'ionisation diminuera à mesure que commencera la réduction inverse des atomes et molécules neutres. La zone de silence s'étendra progressivement pour chaque plage. Dans un premier temps, la réception des ondes de 10 mètres s'arrêtera, puis de 20 mètres. ORAGES MAGNÉTIQUES Certains jours, on peut observer lors de la réception radio que le nombre de stations amateurs dans la portée est fortement réduit par rapport aux jours normaux, tous les signaux s'estompent beaucoup, de nombreuses stations constamment entendues disparaissent et de nouvelles stations, principalement lointaines, qui n'ont jamais été reçues. avant d'apparaître. Ces phénomènes sont provoqués par des orages magnétiques, au cours desquels le champ magnétique terrestre, généralement assez stable, subit de fortes modifications. Les orages magnétiques s'accompagnent toujours d'une diminution de l'ionisation. En conséquence, la zone de silence s’étend et les conditions de propagation nocturne peuvent perdurer tout au long de la journée. Lors d'un orage magnétique, les stations sur les bandes hautes fréquences disparaissent généralement beaucoup plus tôt que les jours normaux. À 20 mètres, les conditions sont bonnes pour une communication longue distance vers midi, alors que les jours ordinaires, à ces heures-là, il n'est possible de travailler qu'à des distances allant jusqu'à 2000 XNUMX km. L'orage magnétique dure de un à plusieurs jours. Les perturbations de l'ionosphère qui se produisent pendant cette période provoquent des évanouissements importants, accompagnés de nombreuses distorsions. La communication sur de courtes distances est généralement perturbée et pour le travail, il a fallu passer à des ondes plus longues. COUCHES RÉFLÉCHISSANTES ET IONISATION ANOMALE L'ionosphère est généralement constituée de plusieurs couches ionisées. Parmi celles-ci, le rôle le plus important dans la propagation des ondes radio est joué par les couches E et F. La hauteur de la couche E au-dessus de la surface de la Terre est d'environ 100 km et la couche F est de 220 à 240 km. Ces couches ne sont absolument pas affectées par les conditions météorologiques proches de la surface de la Terre. Pendant la journée, la couche F se divise en deux couches F1 et F2 ; le premier d'entre eux est légèrement plus bas que le second. La couche F2 est plus fortement ionisée que les couches F1 et E et joue un rôle plus important dans la transmission aux ondes courtes. Les signaux de fréquence suffisamment élevée, pénétrant à travers les couches E et F1 modérément ionisées, sont réfléchis par la couche F2 plus fortement ionisée. , comme le montre la figure 4. Pour les fréquences inférieures, la couche E est importante et la plupart des communications sur 160 mètres sont dues à la réflexion de cette couche.
Dans la couche E, il existe parfois des zones d'ionisation très intense, appelées couche E anormale. Une ionisation anormale de la couche E peut se produire à tout moment et la cause est inconnue. En cas d'ionisation anormale, la couche E peut provoquer une réflexion des ondes à 5 et 10 mètres. Un autre phénomène anormal, appelé effet Delinger, consiste en une perturbation complète des communications à ondes courtes sur la partie éclairée du globe. La cause de l'effet Delinger semble être les éruptions solaires qui provoquent une très forte augmentation de l'ionisation dans la partie inférieure de l'ionosphère. En conséquence, les ondes radio courtes sont absorbées. À l’heure actuelle, les communications longue distance sur ondes ultracourtes sont parfois possibles. L’effet Dellinger peut durer plusieurs minutes, voire plusieurs heures. CHANGEMENTS SAISONNIERS L'ionisation de la couche F2 atteint sa plus grande valeur en hiver, le maximum quotidien se produisant l'après-midi. Cela signifie que la zone morte la plus étroite se situera l'après-midi d'une journée d'hiver, moment auquel une communication fiable est possible à très hautes fréquences, par exemple avec des vagues de 10 mètres. En été, l'ionisation est moins importante qu'en hiver, et le maximum journalier de la couche se déplace vers le coucher du soleil. Ainsi, pour des vagues de 10 mètres en été, la zone de silence sera plus large, et la communication sur ces ondes pourra souvent être impossible. Grâce à l'augmentation de la zone de silence en été avec des vagues de 20 et 40 mètres, on peut s'attendre à des conditions améliorées pour les communications longue distance, cependant, à des distances de plusieurs milliers de kilomètres, l'image est compliquée par le rapport entre l'éclairage et l'obscurité. endroits sur le globe. Lors de la transmission à travers l'équateur, des conditions estivales peuvent prévaloir à une extrémité de la liaison et des conditions hivernales à l'autre. Les meilleures conditions pour les communications longue distance se présentent au printemps et au début de l’automne. Au printemps et en été, il y a beaucoup plus de cas de réflexions anormales de la couche E. Ces réflexions peuvent fournir de bonnes conditions pour des communications longue distance sur 5 et 10 mètres en quelques heures. La transition des conditions hivernales aux conditions estivales, et vice versa, ne se fait pas sans heurts. Les mois de printemps et d'automne sont caractérisés par un état instable de l'ionosphère. Ceci est particulièrement visible pour les amateurs qui travaillent régulièrement dans la bande des 10 mètres. FRÉQUENCES CRITIQUES La fréquence critique est la fréquence la plus élevée qui est encore réfléchie par une couche donnée lorsque le signal tombe à angle droit sur la couche. Si un signal est réfléchi lorsqu'il est incident à angle droit, il sera également réfléchi sous tous les autres angles et il n'y aura donc aucune zone de silence à toutes les fréquences inférieures à la fréquence critique. Les fréquences critiques indiquent le degré d'ionisation des couches et peuvent être utilisées pour prédire la « météo radio », sélectionner les ondes les plus favorables à la communication, calculer la longueur de la zone de silence, etc. Les mesures des fréquences critiques sont effectuées dans les stations ionosphériques. Il existe plusieurs stations de ce type en Union soviétique, l'une d'elles dans la baie de Tikhaya, sur la Terre François-Joseph, qui est la station ionosphérique la plus septentrionale du monde. Au cours des 3 ou 4 dernières années, il y a eu beaucoup plus de communications longue distance sur les bandes de 10 et 5 mètres qu'auparavant. Ceci s'explique, d'une part, par une forte augmentation du nombre de radioamateurs opérant dans ces bandes, et d'autre part, par l'effet du cycle de 11 ans d'activité des taches solaires. L'ionisation atmosphérique est étroitement liée au nombre de taches solaires ; plus il y a de taches observées au cours de l'année, plus le degré d'ionisation est élevé. Les taches solaires ont longtemps fait l'objet d'observations par les astronomes et leur nombre est enregistré régulièrement depuis 1750. Ces enregistrements montrent que le nombre de taches solaires atteint généralement un maximum tous les 11 ans, le dernier maximum datant de 1939 et 1940. Au cours des cinq dernières années, le niveau a augmenté d'année en année, ce qui a permis de refléter des fréquences de plus en plus élevées. Les conditions de communication sur les ondes de 10 et 5 mètres au cours de l'hiver 1940/41 étaient déjà un peu pires qu'elles ne l'étaient en 1939/40. 1944/1945. Par la suite, chaque année, le nombre d'heures disponibles pour les communications sur ces bandes diminuera et l'activité sur ces bandes atteindra un minimum en 20 ou 10. À cette époque, les conditions de communication sur la bande des 40 mètres seront similaires à celles observées l'année dernière sur XNUMX mètres, et la portée de XNUMX mètres sera à nouveau adaptée aux communications longue distance. COMMUNICATION LONGUE SUR VHF La fréquence des ondes ultracourtes est trop élevée pour être réfléchie par la couche F2. Si de telles réflexions sont observées, elles se produisent pendant des périodes d'ionisation très élevée, telles que le maximum des taches solaires, et se produisent lors d'une transmission longue distance lorsque les signaux pénètrent dans la couche sous un angle très obtus. De nombreux couplages à 5 bandes observés au cours des mois d'été aux États-Unis ces dernières années sont attribués à une ionisation anormale de la couche E. La plupart de ces connexions ont eu lieu en soirée. Les mesures ionosphériques montrent qu'en été, une couche E anormale se forme souvent le matin avant le lever du soleil et le soir, et sa superficie n'est parfois que de quelques kilomètres carrés. Grâce à cela, la communication VHF n'est possible qu'entre un nombre très limité de points. Cependant, s’il existe simultanément plusieurs sites de ce type dans différentes zones, les conditions de communication VHF peuvent être assez bonnes. Auteur : B. Khitrov
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