В окружающей земной шар атмосфере различают две области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу и ионосферу.
    Тропосферой называется приземная область атмосферы, простирающаяся до высоты примерно 10—15 км. Она неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности, кроме того, ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий. Распространение тропосферных волн связано с рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной среде, а также с рассеянием и отражением радиоволн от различных неоднородностей.
    Ионосферой называется область атмосферы, начинающаяся от высоты 50—80 км и простирающаяся примерно до 10000 км над поверхностью Земли. В этой области плотность газа весьма мала и газ ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов (примерно  электронов в 1 м³ воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы. Путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны распространяются на очень большие расстояния (например, короткие волны могут несколько раз огибать земной шар). Ионосфера является неоднородной средой, и радиоволны рассеиваются в ней, что также обусловливает возможность распространения радиоволн на большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, будем называть ионосферными, пространственными волнами.
    За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшаются и на расстоянии, равном 3—4,5 радиусам земного шара, атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован, плотность протонов равна плотности электронов и составляет всего 2—20 эл/см³. Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве. Таким образом, оказывается возможным рассматривать раздельно влияние на распространение радиоволн земной поверхности, тропосферы, ионосферы и космического пространства.
    Кривизна земной поверхности,  неровности рельефа местности и различные искусственные преграды также сильно влияют на распространение электромагнитных волн. В случае соизмеримости длины волны и размеров препятствий волны могут огибать их. К примеру  радиоволны 4 - 5 диапазонов (длинные и сверхдлинные волны) обладают способностью огибать поверхность Земли и могут распространяться на расстояния в несколько тысяч километров поверхностными лучами (рис. 1.2). Качество связи мало зависит от сезонов или времени суток. Однако, каналы связи в этих диапазонах обладают очень узкой полосой пропускания и могут обеспечивать передачу ограниченного объема радиовещательных, телефонных, телеграфных и фототелеграфных сообщений.

    Длинные и особенно сверхдлинные волны мало поглощаются при прохождении в толще суши или моря. Так, волны длиной 20—30 км могут проникать в глубину моря на несколько десятков метров и, следовательно, могут использоваться для связи с погруженными подводными лодками, а также для подземной радиосвязи.

  В 6 диапазоне (средние волны) поверхностный луч претерпевает более сильные поглощения и может распространяться на расстояние 500-1500 километров. Однако, при увеличении плотности ионосферы (в ночные часы) в диапазоне средних волн возможно распространение сигналов пространственным лучом, который может обеспечить связь на расстояние в несколько тысяч километров (рис. 1.3).
 
 

    Радиоволны 7 диапазона (короткие волны) поверхностными лучами распространяются на небольшие расстояния из-за поглощения энергии поверхностью Земли (рис. 1.4). Однако пространственные волны могут многократно отражаться от ионосферы и земной поверхности проходить очень значительные расстояния, вплоть до глобальных, обеспечивая передачу сигналов радиовещания, радиотелефонии и радиотелеграфии. Распространение волн таким способом довольно неустойчиво и подвержено сильным замираниям как медленным (в течение года, сезона, времени суток и пр.), так и быстрым, с периодом в доли и единицы секунд. Медленные замирания объясняются изменениями состояния ионосферы, а быстрые - взаимодействием множества лучей, которые могут попадать в точки приема.
    В общем случае короткие волны лучше распространяются ночью и, иногда, способны, последовательно отражаясь от ионосферы и поверхности земли, огибать земной шар.

    Радиоволны 8-12 диапазонов (рис. 1.5) позволяют передавать значительно более объемную информацию, включая телевизионные сигналы, сигналы многоканальной телефонии, высокоскоростные цифровые потоки. Однако, пространственные волны этих диапазонов проходят через ионосферу в космическое пространство и для целей наземной связи почти не пригодны, а поверхностные волны распространяются почти прямолинейно, практически не огибая земную поверхность. Поэтому они устойчиво проходят только на расстояние прямой видимости между антеннами передающего и приемного оборудования. Это расстояние составляет десятки километров (при реальной высоте подвеса антенн в несколько десятков метров) и для передачи сигналов на большие расстояния приходиться строить цепочки ретрансляторов, образующих радиорелейные линии (РРЛ).

    Важным способом передачи сигналов этих диапазонов на большие расстояния является использование для ретрансляции связных спутников. Спутниковые системы позволяют передавать информацию на десятки тысяч километров и перекрывать большие площади на поверхности Земли, вплоть до организации глобальных систем связи.
    Возможна также передача сигналов 8 - 9 диапазонов на бол ьшие расстояния (значительно превышающие прямую видимость) за счет рассеяния электромагнитной энергии в неоднородностях тропосферы. Этот принцип исползуется в тропосферных линиях связи (ТРЛ).
    С увеличением частоты (больше 10 ГГц) радиоволны ослабляются в газах атмосферы и, особенно сильно - в дожде, снеге, граде. Поэтому в этих диапазонах устойчивое распространение электромагнитных волн возможно на расстоянии меньшем, чем расстояние прямой видимости.
    В оптических диапазонах волн можно передавать гигантские объемы информации. В основном для цедей связи применяется 3 диапазон оптических волн (инфракрасные волны). При распространении в открытом пространстве они подвержены большим ослаблениям в атмосфере и, практически, обеспечивают связь на расстояние до 4-5 км, однако при использовании таких систем связи нет необходимости получать какие-либо разрешения от инспекций по электросвязи..
    Полное ослабление света в атмосфере обусловлено несколькими факторами. Различают ослабление света в атмосфере, свободной от облаков и тумана, и ослабление света в тумане. Первый вид ослабления складывается из рассеяния света на молекулах газа и водяного пара и селективного поглощения.  Селективное поглощение в газах и водяных парах атмосферы объясняется взаимодействием их  электронной, колебательной и вращательной энергий с электромагнитными колебаниями определенной частоты. Основное поглощающее действие оказывает водяной пар, поскольку его содержание намного превышает содержание углекислого газа и озона. Прозрачность атмосферы для инфракрасных лучей сильно зависит от влажности атмосферы.      Измерения показали, что сравнительно хорошей прозрачностью для инфракрасных волн атмосфера обладает на следующих диапазонах: 0,95—1,05; 1,2—1,3;  1,5—1,8; 2,1—2,4; 3,3—4,0; 8,0—11,0 мкм.
   Для передачи на большие расстояния применяются закрытые оптические системы, в которых свет распространяется по стеклянным волокнам. К достоинствам волоконно-оптических систем связи (ВОЛС) можно отнести возможность передачи чрезвычайно больших⁴  объемов информации, не достижимых для других структур.
   Излучение и прием электромагнитных волн осуществляется при помощи антенн. Антенны характеризуются многими параметрами, главными из которых являются рабочие частоты, их ширина и направленные свойства излучения и приема.
   Направленные свойства или способность антенны принимать или передавать сигналы в заданном направлении зависят от соотношения между длиной волны и геометрическими размерами элементов антенн. Чем больше размеры антенны по сравнению с длиной волны электромагнитных колебаний, тем лучше направленные свойства антенны.
Одна из простых антенн - симметричный вибратор, который эффективно работает при условии, что его длина
равна l / 2. Для улучшения направленных свойств применяются дополнительные структуры, образующие
антенну по названием «волновой канал», получившую широкое распространение для приема телевизионных
сигналов.
    В диапазонах 9-12, в основном, применяются различные модификации параболических антенн.
    Антенны оптических диапазонов представляют собой линзовые и зеркальные системы.
Вопросы для самопроверки

1. Поясните общий принцип работы системы связи.
2. Поясните классификацию диапазонов частот, используемых в системах связи.
3. Рассмотрите особенности распространения радиоволн и оптических сигналов.
4. Чем определяется дальность связи в разных диапазонах.
5. Какие системы связи работают в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн.
 
 

1. Под свободным пространством понимается среда, в которой отсутствует атмосфера и различные препятствия (к примеру, к свободному пространству можно отнести космос).

2. В данном  виде формулу удобно применять для микроволновых систем связи, работающих в 9 -12 диапазонах частот.  В обобщенном виде формула выглядит так Lo = 20 lg(4pRo/l)

 

3. Электромагнитные волны состоят из электрического (Е) и магнитного (Н) полей, силовые линии которых перпендикулярны друг другу. Понятие поляризация волны определяется расположением в пространстве силовых линий электрического поля - горизонтальное расположение соответствует горизонтальной поляризации, а вертикальное - вертикальной поляризации. Существуют электромагнитные волны у которых плоскость поляризации вращается. Такие волны называются волнами с круговой поляризацией.

4. Достигнуты скорости передачи цифровых сигналов в волоконно-оптических системах связи более 1 терабита в секунду!