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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 장거리 무선 통신에서 전리층의 역할. 무선전자공학 및 전기공학 백과사전
장거리 무선 전송은 지구 대기권 상부에 반사층이 존재하기 때문에 가능합니다. 이러한 층은 햇빛에서 나오는 자외선이 일부 가스 분자를 양전하를 띤 입자(이온)와 전자로 분해하기 때문에 형성됩니다. 이 과정을 이온화라고 하며 대기의 이온화된 영역을 일반적으로 전리층이라고 합니다. 전리층을 투과한 전파는 굴절되어 충분한 이온화가 이루어지면 다시 지구로 돌아올 수 있습니다. 그림 1은 다음과 같은 세 가지 가능한 경우를 보여줍니다. 이온화 정도에 따라 전파가 전리층으로 이동합니다. "a"의 경우 이온화가 약하고 파동이 층을 통과하면서 경로가 약간 구부러집니다.
"b"의 경우 이온화는 파동이 반사되어 지구로 다시 돌아오기에 충분하며, 마지막으로 "c"의 경우 이온화는 너무 강해서 파동이 완전히 흡수됩니다.
그림에서. 그림 2는 특정 정도의 이온화를 통해 길이가 20미터와 10미터인 두 전파의 경로를 보여줍니다. 20m 길이의 파동(실선)은 전리층에서 반사되어 지구로 돌아옵니다. (10m 길이의 파동(점선)은 층에 의해 약간만 구부러져 행성 간 공간으로 들어갑니다. 20m보다 긴 모든 파동은 또한 반사되고 10미터보다 짧은 파동은 전리층을 통과합니다. 전송된 주파수가 낮을수록 반사 확률이 높아지고 층의 이온화가 강할수록 주파수가 여전히 반사됩니다. 침묵의 지대 전파가 이온화된 층에 부딪히는 각도는 필수적입니다. 무음대(Silent Zone)는 가파른 각도로 입사하는 파동을 반사시키기에는 이온화가 부족하지만 작은 각도로 입사하는 파동은 여전히 반사될 때 발생합니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 안테나에서 일부 임계각보다 큰 각도로 방출된 파동은 모두 통과합니다. 층을 통과하여 더 작은 각도로 방출된 파동이 땅으로 돌아옵니다.
침묵 구역 이전에는 표면파로 인해 송신기 바로 근처에서만 신호가 들립니다. A지점에서 지구에 입사한 광선은 표면에서 반사되어 다시 층으로 들어갔다가 다시 반사되어 B지점으로 지구로 돌아오는 것이 종종 관찰됩니다. 이러한 종류의 3회, XNUMX회 및 다중 반사는 매우 자주 발생합니다. 특히 장거리에서 고주파수로 전송할 때 발생합니다. 그림에서. 그림 XNUMX은 신호가 단일 반사 후에 B 지점에 도달할 수도 있음을 보여줍니다. B 지점에 도달하는 두 신호의 강도가 거의 같으면 간섭으로 인해 매우 강한 페이딩이 발생할 수 있습니다. 무음 영역의 너비에 따라 다양한 범위의 파도 통과 조건을 대략적으로 판단할 수 있으며 그중 하나만 들어볼 수 있습니다. 단지 20km 떨어진 곳에 위치한 방송국이 200m 범위 내에서 들을 수 있다고 가정해 보겠습니다. 이는 이러한 이온화로 인해 10미터 파장의 신호도 지구로 돌아올 가능성이 있음을 나타냅니다. 사실, 이 주파수에서 침묵 구역은 아마도 최대 2000km까지 확장될 것입니다. 20미터의 파도에 매우 좁은 데드존이 있다면, 40미터의 파도에는 침묵의 영역이 없습니다. 무음 영역이 장거리로 확장되면 먼 방송국만 들립니다. 이온화가 증가하면 범위가 좁아지고 근처 스테이션이 나타나기 시작합니다. 동시에 우리는 두 가지 이유로 먼 방송국을 잃기 시작할 것입니다. 첫째, 근처의 시끄러운 스테이션으로 인해 막힐 수 있으며, 둘째, 높은 이온화로 인해 이온화된 영역에서 먼 길을 이동하는 먼 스테이션의 신호가 흡수됩니다. 불감대가 넓고 동작 주파수가 높을수록 장거리 통신이 가능할 가능성이 높아집니다. 대기 상층부의 이온화는 태양 복사에 의해 발생하므로 밤과 낮의 단파 통과 조건은 크게 다릅니다. 예를 들어, 일반적인 겨울날 통신 조건의 변화를 생각해 보겠습니다. 해가 뜨기 전 이른 아침 시간에는 이온화가 매우 약합니다. 이 경우 10미터 범위는 완전히 작동하지 않으며 20미터에서는 아주 먼 방송국 몇 개만 들을 수 있습니다. 그러나 더 낮은 주파수의 경우 이온화는 정상 작동에 충분합니다. 따라서 40m의 파도에는 장거리 통신에 좋은 조건이 있고 160m의 파도도 잘 통과합니다. 해가 뜨면서 이온화는 급격히 증가하기 시작하여 오후에 최대에 도달합니다. 정오가 가까워질수록(모든 대역에서 데드존이 좁아지고 일출 후 약 10시간 정도 지나면 이온화는 20m 범위의 파동을 반사하기에 충분합니다. 정오쯤에는 10m 범위가 상대적으로 가까운 관측소로 채워지고 긴 관측소로 채워집니다. - 이때 XNUMX미터 거리에서는 통신이 가능합니다. 일몰 후에는 중성 원자와 분자의 역환원이 시작되면서 이온화가 감소합니다. 무음 영역은 각 범위별로 점차 확대됩니다. 먼저 10미터의 파도 수신이 중단되고 그 다음에는 20미터의 파도 수신이 중단됩니다. 자기 폭풍 어떤 날에는 라디오 수신 중에 범위 내의 아마추어 방송국 수가 평소에 비해 급격하게 줄어들고, 모든 신호가 매우 약해지고, 지속적으로 들리는 많은 방송국이 사라지고, 주로 수신되지 않은 새로운, 주로 먼 방송국이 수신되지 않는 것을 관찰할 수 있습니다. 나타나기 전에. 이러한 현상은 일반적으로 매우 안정적인 지구 자기장이 강한 변화를 겪는 자기 폭풍에 의해 발생합니다. 자기 폭풍은 항상 이온화 감소를 동반합니다. 결과적으로 무음지대가 확장되고 야간 전파 조건이 하루 종일 계속될 수 있습니다. 자기 폭풍이 발생하는 동안 고주파 대역의 방송국은 일반적으로 평상시보다 훨씬 일찍 사라집니다. 20미터는 정오 무렵에 장거리 통신을 할 수 있는 좋은 조건이지만, 평상시에는 이 시간 동안 최대 2000km의 거리에서만 작업이 가능합니다. 자기 폭풍은 하루에서 며칠 동안 지속됩니다. 이 기간 동안 발생하는 전리층의 교란은 많은 왜곡을 동반하는 상당한 페이딩을 유발합니다. 단거리 통신은 일반적으로 중단되며 작업을 위해서는 더 긴 전파로 전환해야 했습니다. 반사층 및 변칙적 이온화 전리층은 일반적으로 여러 이온화된 층으로 구성됩니다. 이 중 E층과 F층이 전파 전파에 가장 큰 역할을 하며, 지구 표면 위 E층의 높이는 약 100km, F층은 220~240km이다. 이 층은 지구 표면 근처의 날씨에 전혀 영향을 받지 않습니다. 낮에는 F층이 F1과 F2의 두 층으로 나누어집니다. 첫 번째는 두 번째보다 약간 낮습니다. F2 층은 F1 및 E 층보다 더 강하게 이온화되어 단파에서 전송에 더 큰 역할을 합니다. 적당히 이온화된 E 및 F1 층을 통과하는 충분히 높은 주파수의 신호는 더 강하게 이온화된 F2 층에 의해 반사됩니다. , 그림 4에 표시된 것처럼 더 낮은 주파수의 경우 E 레이어가 중요하며 160미터에서의 대부분의 통신은 이 레이어의 반사로 인해 발생합니다.
E층에는 때때로 매우 강렬한 이온화가 일어나는 영역이 있는데 이를 이상 E층이라고 합니다. E층의 이상 이온화는 언제든지 발생할 수 있으며 그 원인은 알려져 있지 않습니다. 비정상적인 이온화가 발생하는 경우 E층은 5미터와 10미터에서 파동을 반사시킬 수 있습니다. 델린저 효과(Delinger effect)라고 불리는 또 다른 변칙 현상은 지구의 조명 부분에서 단파 통신이 완전히 중단되는 것입니다. 델린저 효과의 원인은 전리층 하부에서 이온화를 매우 크게 증가시키는 태양 폭발로 보입니다. 결과적으로 짧은 전파가 흡수됩니다. 이때 초단파를 이용한 장거리 통신이 가능한 경우도 있다. 델린저 효과는 몇 분 또는 몇 시간 동안 지속될 수 있습니다. 계절 변화 F2 층의 이온화는 겨울에 가장 높은 수준에 이르며, 일일 최대치는 오후에 발생합니다. 즉, 가장 좁은 사각지대는 겨울날 오후에 있을 것이며, 이때에는 10미터의 파도와 같이 매우 높은 주파수에서 안정적인 통신이 가능합니다. 여름에는 이온화가 겨울보다 덜 중요하며 해당 층의 일일 최대치는 일몰을 향해 이동합니다. 따라서 여름에 10m의 파도가 발생하면 침묵 구역이 넓어지고 이러한 파도에서는 통신이 불가능한 경우가 많습니다. 여름에는 20m와 40m의 파도에서 침묵 구역이 증가하여 장거리 통신의 조건이 향상될 것으로 예상할 수 있지만 수천 킬로미터 거리에서는 조명과 어두움의 비율로 인해 그림이 복잡해집니다. 지구상의 장소. 적도를 가로질러 전송할 때 링크의 한쪽 끝에서는 여름 날씨가, 다른 쪽 끝에서는 겨울 날씨가 우세할 수 있습니다. 장거리 통신을 위한 가장 좋은 조건은 봄과 초가을에 발생합니다. 봄과 여름에는 E층에서 이상 반사가 훨씬 더 많이 발생하는데, 이러한 반사는 몇 시간 내에 5미터와 10미터 거리의 장거리 통신에 좋은 조건을 제공할 수 있습니다. 겨울에서 여름으로 또는 그 반대로 전환이 원활하게 이루어지지 않습니다. 봄과 가을은 전리층의 불안정한 상태가 특징입니다. 이는 10m 밴드에서 정기적으로 활동하는 아마추어에게 특히 두드러집니다. 임계 주파수 임계 주파수는 신호가 직각으로 레이어에 입사될 때 주어진 레이어에서 여전히 반사되는 가장 높은 주파수입니다. 신호가 직각으로 입사할 때 반사되면 다른 모든 각도에서도 반사되므로 임계 주파수 아래의 모든 주파수에서 무음 영역이 없습니다. 임계 주파수는 층의 이온화 정도를 나타내며 "무선 기상"을 예측하고, 통신에 가장 유리한 파동을 선택하고, 침묵 구역의 길이를 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 임계 주파수 측정은 전리층 관측소에서 이루어집니다. 소련에는 그러한 관측소가 여러 군데 있는데, 그 중 하나는 프란츠 요셉 랜드(Franz Josef Land)의 티카야 만(Tikhaya Bay)에 있으며 세계 최북단 전리층 관측소입니다. 지난 3~4년 동안 10미터와 5미터 대역의 장거리 통신이 이전보다 많아졌습니다. 이는 한편으로는 이 대역에서 활동하는 무선 아마추어 수의 급격한 증가로 설명되고, 다른 한편으로는 11년 주기의 흑점 활동의 영향으로 설명됩니다. 대기 이온화는 흑점의 수와 밀접한 관련이 있습니다. 일년 중 더 많은 반점이 관찰될수록 이온화 정도가 더 높은 것입니다. 흑점은 오랫동안 천문학자들의 관찰 대상이었으며, 그 수에 대한 기록은 1750년부터 정기적으로 보관되어 왔습니다. 지난 11년간의 수준은 해마다 증가했고 그 결과 점점 더 높은 주파수가 반영될 수 있었습니다. 1939/1940년 겨울에 10미터와 5미터 파도의 통신 조건은 이미 1940년과 41년 사이보다 다소 나빴습니다. 1939/40. 이후 매년 이 대역에서 통신할 수 있는 시간은 줄어들 것이며 이 대역의 활동은 1944년 또는 1945년에 최소에 도달할 것입니다. 이때까지 20미터 대역의 통신 조건은 다음과 유사할 것입니다. 작년에 10미터에서 관찰된 것, 그리고 40미터 범위는 다시 장거리 통신에 적합할 것입니다. VHF에 대한 긴 통신 초단파의 주파수는 F2층에서 반사되기에는 너무 높습니다. 이러한 반사가 관찰되면 흑점 최대치와 같이 이온화가 매우 높은 기간에 발생하며 신호가 매우 둔각으로 층에 들어갈 때 장거리 전송 중에 발생합니다. 지난 몇 년 동안 미국에서 여름철에 관찰된 수많은 5밴드 결합은 E층의 비정상적인 이온화에 기인합니다. 이러한 연결의 대부분은 저녁에 이루어졌습니다. 전리층 측정에 따르면 여름에는 해가 뜨기 전 아침과 저녁에 변칙적인 E층이 형성되는 경우가 많으며 그 면적은 때로는 수 평방 킬로미터에 불과합니다. 덕분에 VHF 통신은 매우 제한된 수의 지점 사이에서만 가능합니다. 그러나 동시에 서로 다른 지역에 그러한 사이트가 많이 있는 경우 VHF 통신 상태는 상당히 양호할 수 있습니다. 저자: B. Khitrov
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