4.3 Επίδραση της συχνότητας στη διάδοση
4.3.1 Γενικά
Αναφέρθηκε ήδη ότι ο τρόπος διάδοσης των ραδιοκυμάτων εξαρτάται σημαντικά από τη συχνότητα (f). Αυτό δικαιολογεί περαιτέρω διερεύνηση και λεπτομερέστερο σχολιασμό της συμπεριφοράς τους ανά ζώνη συχνοτήτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
4.3.2 Διάδοση των υπερμακρών (VLF) κυμάτων
Για τα υπερμακρά κύματα με συχνότητες από 10 kHz έως 30kHz (δηλαδή με μήκη κύματος από 30 kmέως 10 km) το μήκος των χρησιμοποιούμενων κεραιών είναι πολύ μεγάλο. Η χρήση και η αξιοποίηση αυτών των συχνοτήτων στη ραδιοεπικοινωνία περιορίζεται σε ειδικές εφαρμογές ραδιοτηλεγραφίας μικρής ταχύτητας.
Το κύμα εδάφους σ’ αυτές τις συχνότητες έχει μικρές απώλειες και διαδιδόμενο φτάνει σε αποστάσεις έως και 1000 km. Οι επιδόσεις του είναι καλύτερες πάνω από τη θάλασσα και παρουσιαζει κάποια διεισδυτικότητα στο νερό. Για τούτο αξιοποιείται σε επικοινωνία με υποβρύχια. Σε αποστάσεις μεγαλύτερες έχουμε κάλυψη μέσω του ιονοσφαιρικού κύματος που ανακλάται στα κατώτερα στρώματα της ιονόσφαιρας και γι’ αυτό δεν έχει μεγάλη απόσβεση.
4.3.3 Διάδοση των μακρών (LF) κυμάτων
Έχουν συχνότητες 30 kHz έως 300 kHz και μήκη κύματος από 10 km έως 1 km. Η συμπεριφορά τους στη διάδοση είναι κατώτερη των προηγουμένων. Ο τερματικός έξοπλισμός (πηνία, κεραίες) όμως είναι μικρότερος, βολικότερος και φτηνότερος. Το κύμα εδάφους εξασθενεί συντομότερα όσο αυξάνεται η συχνότητα, παρά το γεγονός ότι παρουσιάζει προσαρμοστικότητα στη μορφολογία του εδάφους. Το ιονοσφαιρικό κύμα εχει απώλειες και παρουσιάζει σημαντικές μεταβολές μεταξύ ημέρας και νύχτας. Ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια της ημέρας οι ραδιοζεύξεις μεγάλων αποστάσεων δεν είναι αξιόπιστες.
Οι χρησιμοποιούμενες συνήθως κεραίες σ’ αυτές τις συχνότητες έχουν οριζόντια κατευθυντικότητα. Αυτή η ζώνη συχνοτήτων αξιοποιείται περισσότερο σε στρατιωτικές εφαρμογές για επικοινωνία με πλοία.
4.3.4 Διάδοση των Μεσαίων κυμάτων (ΜF)
Πρόκειται για τη ζώνη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος από 300 kHz έως 3000 kHz, με αντίστοιχα μήκη κύματος από 1 km έως 100m.
Στη ζώνη αυτή περιλαμβάνεται το τμήμα του φάσματος που χρησιμοποιείται στην κλασική ραδιοφωνία με διαμόρφωση πλάτους (ΑΜ) 531 kHz έως 1602kHz (πολλοί αποκαλούν μόνο αυτό το τμήμα της ραδιοφωνίας μεσαία κύματα). Περιλαμβάνεται επίσης η ζώνη1700 kHz έως 3000kHz, που χρησιμοποιείται για ραδιοεπικοινωνίες με διαμόρφωση πλάτους απλής ζώνης SSB για στρατιωτικές εφαρμογές.
Το κύμα εδάφους σ’ αυτές τις συχνότητες φτάνει έως μερικές εκατοντάδες km. Αποσβήνεται περισσότερο όσο η συχνότητά του είναι μεγαλύτερη και η αγωγιμότητα του εδάφους μικραίνει. Η ζώνη που καλύπτεται από το κύμα εδάφους ονομάζεται πρώτη ζώνη κάλυψης.
Το κύμα χώρου την ημέρα δεν υπάρχει καθόλου λόγω πλήρους ουσιαστικά εξασθένησής του στα κατώτερα στρώματα της ιονόσφαιρας (ζώνη D). Τη νύχτα, καθώς η επίδραση της ζώνης Dελαττώνεται, εμφανίζεται το κύμα χώρου που διευρύνει την κάλυψη σχηματίζοντας τη δεύτερη ζώνη κάλυψης σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. Γι’ αυτό τον λόγο, την νύχτα ο δέκτης του ραδιοφώνου μας στη ζώνη των μεσαίων ΑΜ λαμβάνει ένα μεγάλο πλήθος εκπομπών που δεν λαμβάνονται κατά τη διάρκεια της ημέρας.
Αξίζει να επισημανθεί ένα ακόμη ιδιαίτερο φαινόμενο που εμφανίζεται στις συχνότητες αυτές. Η οριακή απόσταση του κύματος χώρου (υπενθυμίζεται ότι πρόκειται για την απόσταση από την οποία αρχίζει η κάλυψη από το ιονοσφαιρικό κύμα) είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με την απόσταση κάλυψης του κύματος εδάφους (σχήμα 4.3.1). Ιδιαίτερα τις απογευματινές και πρώτες βραδινές ώρες, πριν το ιονοσφαιρικό κύμα γίνει πολύ ισχυρό, οι δύο ζώνες κάλυψης εφάπτονται και η συμβολή των κυμάτων, που ακολούθησαν διαφορετικούς δρόμους, δημιουργεί έντονες διακυμάνσεις του πεδίου, με αποτέλεσμα να έχουμε διαλείψεις (fading) ή παραμορφώσεις του σήματος στα όρια.
Έντονα προβλήματα διαλείψεων στις μεσαίες συχνότητες εμφανίζονται και στις μεγάλες αποστάσεις όπου επικρατεί πλήρως το ιονοσφαιρικό κύμα. Οι διαλείψεις αυτές οφείλονται στη συμβολή κυματικών ακτίνων, που ακολούθησαν διαφορετικές πορείες.
4.3.5 Διάδοση των Βραχέων κυμάτων (HF)
Πρόκειται για τα κύματα με συχνότητες, οι οποίες καλύπτουν τη ζώνη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος από 3 MHzέως 30 MHz . Τα αντίστοιχα μήκη κύματος είναι από 100 mέως 10 m . Στη βιβλιογραφία αναφέρονται ως βραχέα κύματα ή δεκαμετρικά κύματα, λόγω ακριβώς της τάξης μεγέθους του μήκους κύματος.
Τα βραχέα κύματα απορροφούνται έντονα από το έδαφος. Γι’ αυτό το κύμα εδάφους αποσβήνεται γρήγορα και δεν έχει μεγάλη κάλυψη. Φτάνει με τις καλύτερες συνθήκες μόνο σε μερικές δεκάδες χιλιόμετρα, ακόμα και αν χρησιμοποιηθεί μεγάλη ισχύς εκπομπής. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει στην περίπτωση των βραχέων το κύμα χώρου, που επιτρέπει καλύψεις σε πολύ μεγάλες αποστάσεις, χιλιάδων χιλιομέτρων. Αυτός είναι ο λόγος που τα βραχέα επικράτησαν για ζεύξεις μεγάλων αποστάσεων.
Στο σχήμα 4.3.2 φαίνεται η ιονοσφαιρική διάδοση των κυμάτων αυτών, τα οποία υπόκεινται άνετα σε διαδοχικές ανακλάσεις στο έδαφος και την ιονόσφαιρα αυξάνοντας την ακτίνα κάλυψης. Η ιονοσφαιρική διάδοση σ’ αυτή την ζώνη συχνοτήτων μελετήθηκε λεπτομερώς από τους επιστήμονες. Όλες οι παρατηρήσεις που έγιναν στην παράγραφο 4.2.3 προέρχονται από πειράματα που έγιναν στην περιοχή των βραχέων κυμάτων και οδήγησαν στους ορισμούς της μέγιστης και ελάχιστης χρησιμοποιήσιμης συχνότητας (MUFκαι LUF) για να έχουμε επιτυχή ραδιοζεύξη.
Οι παρατηρήσεις που έγιναν σε σχέση με τα σχήματα 4.2.5 και 4.2.6 ότι δηλαδή όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα τόσο μεγαλύτερη πυκνότητα της ιονόσφαιρας απαιτείται για να έχουμε ραδιοκάλυψη από ιονοσφαιρικό κύμα, δικαιολογεί κατά τη διάρκεια της ημέρας τη χρήση ραδιοκυμάτων με μικρότερο μήκος κύματος από ό,τι τη νύχτα. Αυτή η διαπίστωση οδήγησε τους ραδιοηλεκτρολόγους να ονομάζουν τα μήκη κύματος από 100mέως 50m κύματα νύχτας και τα μήκη κύματος από 50mέως 10m κύματα ημέρας. Ένα απλό πείραμα, που μπορεί να κάνει ο καθένας εύκολα σαρώνοντας με τη βελόνα του ραδιοφώνου του τη ζώνη των βραχέων κυμάτων την ημέρα ή τις βραδινές ώρες, αποδεικνύει την αλήθεια όλων των παραπάνω παρατηρήσεων.
Οι πολλαπλές ανακλάσεις των βραχέων κυμάτων δημιουργούν, όπως διαπιστώνεται και στο σχήμα 4.3.2, πολλαπλές ζώνες σιγής.
Τα βραχέα κύματα χρησιμοποιήθηκαν και χρησιμοποιούνται ευρύτατα για ραδιοεπικοινωνία σε μακρινές αποστάσεις. Αξιοποιήθηκαν και αξιοποιούνται και σε εμπορικές και σε στρατιωτικές εφαρμογές. Κάποιες ζώνες παραχωρήθηκαν στο πλατύ κοινό για ραδιοτηλεφωνία (CitizenBand, που καθιερώθηκε με το όνομα CB - γύρω στους 27 MHz). Χρησιμοποιούνται είτε με διαμόρφωση πλάτους ΑΜ, είτε απλής ζώνης SSBsc, είτε με διαμόρφωση FMή ΦΜ. Σήμερα με την ανάπτυξη της τεχνολογίας τις ραδιοεπικοινωνίες στα βραχέα κύματα τις συναγωνίζονται οι ραδιοεπικοινωνίες σε μεγαλύτερες συχνότητες.
4.3.6 Διάδοση υπερβραχέων κυμάτων
Αναφέρονται στη φασματική ζώνη 30 MHz έως 300MHz με αντίστοιχα μήκη κύματος λ από 10m έως 1m, από όπου αντλούν και την ονομασία τους μετρικά κύματα. Οι πειραματικές μετρήσεις δείχνουν ότι οι συχνότητες πάνω από τα 30 MHz σπάνια και σε ιδιαίτερες περιπτώσεις ανακλώνται από την ιονόσφαιρα. Η ραδιοκάλυψη εξασφαλίζεται μόνο από το κύμα εδάφους και περιορίζεται ουσιαστικά σε αποστάσεις που υπάρχει οπτική επαφή των κεραιών ή λίγο μεγαλύτερη. Διευκολύνεται από τις διαθλάσεις στις οποίες υπόκεινται τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα αυτών των συχνοτήτων στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, την τροπόσφαιρα. Οι διαθλάσεις αυτές δημιουργούν ελαφρά κύρτωση στην ακτίνα διάδοσης του κύματος και επιτρέπουν στο κύμα να φτάσει σε αποστάση μεγαλύτερη από αυτή του οπτικού ορίζοντα, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.3.3.
Η μέγιστη απόσταση κάλυψης, που ονομάζεται ραδιοηλεκτρικός ορίζοντας του κύματος, εμπειρικά, αλλά με ικανοποιητική ακρίβεια, υπολογίζεται σε μέτρα από τη σχέση:
D = 4120 . (√h1 +√ h2) , (5)
όπου h1 και h2 τα ύψη των κεραιών σε μέτρα από την επιφάνεια της θάλασσας.
Οι μεταβολές στην τροπόσφαιρα από τις κλιματολογικές συνθήκες επηρεάζουν άμεσα τη διάδοση των υπερβραχέων κυμάτων.
Η ζώνη αυτή χρησιμοποιείται σήμερα πάρα πολύ και σ’ αυτή έχουμε τη ραδιοφωνία FM (88 MHzέως 108 MHz), εκπομπές τηλεόρασης και πολλές εφαρμογές ραδιοτηλεφωνίας. Κάποιες άλλες ιδιαίτερες ζώνες δίνονται στους ραδιοερασιτέχνες για πειραματισμούς και ιδιωτική επικοινωνία (παράδειγμα 142 – 144 MHz).
4.3.7 Διάδοση των μικροκυμάτων
Με το γενικό όρο μικροκύματα ομαδοποιείται το τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος με συχνότητες πέραν των 300 MHz και με μήκη κύματος μικρότερα του 1m.
Συγκεκριμένα:
- Τα δεκατομετρικά κύματα από 300 MHzέως 3 GHz.
- Τα εκατοστομετρικά κύματα από 3GHz έως 30 GHz.
- Τα χιλιοστομετρικά κύματα από 30 GHz έως 300 GHz.
Οι συνθήκες διάδοσης είναι ακριβώς οι ίδιες μ’ αυτές των υπερβραχέων, με έμφαση στο γεγονός ότι λόγω των μικρών μηκών κύματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τις ραδιοζεύξεις λίαν κατευθυντικές κεραίες ανάλογων διαστάσεων. Λόγω της κατευθυντικότητας των κεραιών δεν απαιτούνται μεγάλες ισχύες εκπομπής (σχήμα 4.3.4α).
Η ιδιαίτερη αξιοποίηση αυτών των κυμάτων, που λόγω της υψηλής συχνότητας επιτρέπουν διαμορφώσεις μεγάλου εύρους με τεράστιο όγκο πληροφορίας, ανοίγει νέο κεφάλαιο στις τηλεπικοινωνίες.
Πράγματι, καθώς τα κύματα αυτά διαπερνούν εύκολα τα στρώματα της ιονόσφαιρας, χρησιμοποιούνται ευρύτατα στις δορυφορικές επικοινωνίες. Η εκπομπή και η λήψη των σημάτων γίνεται με κατοπτρικές κεραίες υψηλής κατευθυντικότητας που βλέπουν το δορυφόρο (παράγραφος 4.4.4).
Εφαρμογή : Σε ραδιοζεύξη υπερβραχέων κυμάτων τα ύψη των κεραιών εκπομπής και λήψης είναι αντίστοιχα 400 m και 200 m. Να εκτιμηθεί το μήκος του ραδιηλεκτρικού ορίζοντα.
Λύση: Από τη σχέση (5) υπολογίζουμε σε μέτρα:
D = 140656 m = 140,656 km
