Распространение радиоволн: диапазоны, ионосфера, затухание

Что такое радиоволна и диапазоны частот

Радиоволна — это электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве со скоростью света. Её длина связана с частотой простым соотношением:

λ = c / f

c ≈ 3·10⁸ м/с — скорость света
f — частота, λ — длина волны

Именно длина волны определяет, как сигнал ведёт себя в реальной среде: огибает ли препятствия, отражается от ионосферы, идёт только в пределах видимости. Поэтому радиоспектр делят на диапазоны, у каждого из которых свой характер распространения:

Диапазон	Частоты	Длины волн	Основное применение
ОНЧ (VLF)	3–30 кГц	100–10 км	связь с подлодками, навигация
НЧ / ДВ (LF)	30–300 кГц	10–1 км	длинноволновое вещание, службы времени
СЧ / СВ (MF)	0,3–3 МГц	1000–100 м	средневолновое АМ-вещание
ВЧ / КВ (HF)	3–30 МГц	100–10 м	дальняя КВ-связь, вещание
ОВЧ / УКВ (VHF)	30–300 МГц	10–1 м	ЧМ-вещание, ТВ, авиация, рации
УВЧ (UHF)	0,3–3 ГГц	100–10 см	ТВ, сотовая, Wi-Fi, GPS
СВЧ (SHF)	3–30 ГГц	10–1 см	спутник, радары, радиорелейка
КВЧ (EHF)	30–300 ГГц	10–1 мм	5G-мм, научная аппаратура

Механизмы распространения

Есть три основных пути, которыми радиоволна доходит от передатчика к приёмнику, и их роль меняется с частотой:

Поверхностная (земная) волна — идёт вдоль поверхности земли, огибая её за счёт дифракции. Доминирует на ДВ и СВ.
Пространственная (ионосферная) волна — уходит вверх, отражается от ионосферы и возвращается за сотни и тысячи километров. Царство КВ.
Прямая волна (в пределах прямой видимости) — от антенны к антенне почти по прямой, с небольшой тропосферной рефракцией. Основной механизм на УКВ и выше.

Общая закономерность: чем ниже частота, тем лучше волна огибает Землю и проникает сквозь препятствия; чем выше — тем прямолинейнее её путь и тем шире доступная полоса. Это фундаментальный компромисс дальности и ёмкости канала.

Земная (поверхностная) волна

На низких частотах волна распространяется вдоль поверхности, повторяя кривизну Земли за счёт дифракции. Дальность зависит от частоты и проводимости почвы: чем ниже частота, тем дальше (над морской водой — особенно хорошо). Поэтому длинноволновые и средневолновые станции уверенно принимаются днём на сотни километров без всякой ионосферы. С ростом частоты затухание земной волны быстро растёт, и на КВ она работает лишь на десятки километров.

Ионосферная волна и дальняя КВ-связь

Ионосфера — ионизированные солнечным излучением слои верхней атмосферы (D, E, F1, F2) на высотах примерно 60–400 км. Для коротких волн она работает как «зеркало»: волна, ушедшая вверх под достаточно пологим углом, преломляется в ионосфере и возвращается к Земле далеко от передатчика. Отразившись затем от земли, она уходит на следующий «скачок» — так одним передатчиком перекрывают тысячи километров.

Ключевые особенности КВ-распространения:

Зависимость от времени суток и Солнца. Днём слой D поглощает низкие КВ-частоты, ночью он исчезает — поэтому дальние станции на «сороковке» лучше слышны ночью. Ионизация зависит от солнечной активности (11-летний цикл).
МПЧ (максимально применимая частота). Выше некоторой частоты ионосфера уже не отражает волну — она уходит в космос. Ниже наименьшей применимой частоты сигнал сильно поглощается. Связь ведут в «окне» между ними.
Замирания (фединг). Из-за интерференции лучей, пришедших разными путями, и изменения ионосферы уровень сигнала колеблется.

МПЧ = f_крит / cos(θ)

f_крит — критическая частота слоя
θ — угол падения волны на ионосферу

Именно ионосферный механизм сделал КВ основой глобальной связи до эпохи спутников — и он же остаётся резервным каналом, не зависящим от инфраструктуры.

Прямая волна: УКВ, СВЧ и радиогоризонт

На УКВ и выше ионосфера уже прозрачна, а земная волна быстро гаснет — остаётся распространение в пределах прямой видимости (LOS). Дальность ограничена радиогоризонтом, который из-за тропосферной рефракции чуть дальше геометрического:

d(км) ≈ 4,12 · (√h₁ + √h₂)

h₁, h₂ — высоты антенн в метрах, d — дальность в км

Отсюда практический вывод: на УКВ дальность determined высотой антенн — вышку и антенну поднимают выше. Помимо прямой видимости работают более слабые механизмы: тропосферная рефракция (искривление луча в атмосфере), тропосферное рассеяние (загоризонтная связь на СВЧ), а также спутниковые линии, где сигнал идёт сквозь атмосферу почти вертикально.

Затухание и поглощение

Даже в идеальном свободном пространстве сигнал слабеет с расстоянием — это потери в свободном пространстве (FSPL):

FSPL(дБ) = 20·log₁₀(d) + 20·log₁₀(f) + 32,44

d — расстояние в км, f — частота в МГц

Потери растут и с расстоянием, и с частотой — вот почему на высоких частотах нужны более узкие лучи (антенны с большим усилением). Добавляется поглощение в атмосфере: молекулы кислорода и водяного пара имеют полосы поглощения (например, резонанс кислорода около 60 ГГц), между которыми лежат окна прозрачности. На СВЧ существенно ослабление в дожде и осадках, что учитывают в энергетическом бюджете спутниковых и радиорелейных линий.

Замирания и многолучёвость

В реальном канале сигнал приходит несколькими путями — прямой, отражённый от земли, зданий, слоёв атмосферы. Складываясь с разными фазами, лучи то усиливают, то гасят друг друга — возникают замирания (фединг). В городе с множеством отражений распределение уровня описывают релеевским законом. Многолучёвость вызывает и межсимвольную интерференцию в цифровых системах, с которой борются эквалайзерами, разнесённым приёмом и OFDM (см. статью о модуляции).

Особые механизмы распространения

Тропосферный волновод — при температурной инверсии волна УКВ/СВЧ «канализируется» в приземном слое и уходит далеко за горизонт.
Спорадический слой Es — внезапные плотные облака ионизации в слое E дают дальнее прохождение на нижнем УКВ.
Отражение от метеорных следов — короткие «вспышки» связи на УКВ по ионизированным следам метеоров.
EME (отражение от Луны) и авроральное — экзотические, но реальные каналы дальней радиолюбительской связи.

Выбор диапазона под задачу

Сводно — какой механизм и диапазон выбрать под нужную дальность и условия:

Задача	Диапазон	Механизм
Местное вещание, надёжность днём	ДВ/СВ	земная волна
Глобальная связь без инфраструктуры	КВ	ионосферная волна (скачки)
Городская подвижная связь, ЧМ-вещание	УКВ	прямая волна, отражения
Скоростные данные, Wi-Fi, сотовая	УВЧ	прямая волна, ближняя зона
Спутник, радар, магистрали	СВЧ/КВЧ	прямая волна, узкий луч

Правило простое: нужна дальность без инфраструктуры — вниз по частоте (КВ и ниже); нужна скорость и ёмкость — вверх (УВЧ и выше), но с направленными антеннами и запасом на затухание.

Частые вопросы

Почему ночью ловится больше дальних станций на КВ?

Ночью исчезает поглощающий слой D ионосферы, и низкие КВ-частоты свободно отражаются от верхних слоёв, уходя на тысячи километров. Днём слой D их поглощает, оставляя лишь местный приём.

Почему УКВ не «ловит» из-за горизонта?

УКВ распространяется в пределах прямой видимости и почти не отражается ионосферой, а земная волна на этих частотах быстро гаснет. Дальность ограничена радиогоризонтом, поэтому антенны поднимают выше.

Почему для спутников и 5G используют высокие частоты?

На СВЧ доступна широкая полоса (высокая скорость данных) и легко получить узкий луч антенной разумного размера. Плата — большие потери и чувствительность к осадкам, поэтому нужны направленные антенны и запас по энергетике.

Итоги

Как радиоволна дойдёт до адресата, решает её частота. Низкие частоты огибают Землю поверхностной волной и уверенно работают днём на сотни километров; короткие волны отражаются от ионосферы и покрывают весь мир скачками, но капризны к времени суток и Солнцу; УКВ и выше идут по прямой в пределах радиогоризонта, зато дают широкую полосу и узкий луч. Понимая механизмы распространения, затухание и замирания, инженер выбирает диапазон и антенну под нужную дальность и ёмкость канала.