В ионосфере — многокомпонентной плазме, находящейся в магнитном поле Земли, механизм распространения радиоволн сложнее, чем в тропосфере. Под действием радиоволны в ионосфере могут возникать как вынужденные колебания электронов и ионов, так и различные виды коллективных собственных колебаний (плазменные колебания). В зависимости от частоты радиоволны w основную роль играют те или другие из них и поэтому электрические свойства ионосферы различны для различных диапазонов радиоволн. При высокой частоте w в распространении радиволн принимают участие только электроны, собственная частота колебаний которых (Ленгмюровская частота) равна:

(3)

где е — заряд, m — масса, N — концентрация электронов. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы, в отличие от электронов тропосферы, тесно связанных с атомами, отстают от электрического поля высокочастотной волны по фазе почти на 2π. Такое смещение электронов усиливает поле Е волны в ионосфере (рис. 1).

Поэтому диэлектрическая проницаемость e, равная отношению напряжённости внешнего поля к напряжённости поля внутри среды, оказывается для ионосферы меньше 1: e = 1 - w²₀/w². Учёт столкновений электронов с атомами и ионами даёт более точные формулы для e и s ионосферы:

, (4)

где n — число столкновений в секунду.

Для высоких частот, начиная с коротких волн, в большей части ионосферы справедливо соотношение: w₂ >> n₂ и показатели преломления n и поглощения c равны:

, (5)

С увеличением частоты c уменьшается, а n растет, приближаясь к 1. Т. к. n < 1, фазовая скорость распространения волны v_ф = c/n > c. Скорость распространения энергии (групповая скорость волны) в ионосфере равна с×n и в соответствии с относительности теорией меньше с.

Отражение радиоволн. Для волны, у которой w < w⁰_n и u становятся мнимыми величинами, это означает, что такая волна не может распространяться в ионосфере. Поскольку концентрация электронов N и плазменная частота w₀ в ионосфере увеличиваются с высотой (рис. 2), то падающая волна, проникая в ионосферу, распространяется до такого уровня, при котором показатель преломления обращается в нуль.

На этой высоте происходит полное отражение волны от слоя ионосферы. С увеличением частоты падающая волна всё глубже проникает в слой ионосферы. Максимальная частота волны, которая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, называется критической частотой слоя:

(6)

Критическая частота слоя F₂ (главный максимум, рис. 2) изменяется в течение суток и от года к году приблизительно от 5 до 10 Мгц. Для волн с частотой w > w_кр n всюду > 0, т. е. волна проходит через слой, не отражаясь.

При наклонном падении волны на ионосферу максимальная частота волны, возвращающейся на Землю, оказывается выше w_кр. Радиоволна, падающая на ионосферу под углом j₀, испытывая рефракцию, поворачивается к Земле на той высоте, где j(z) = p/2. Условие отражения при наклонном падении имеет вид: n(z) = sinj₀. Частоты волн, отражающихся от данной высоты при наклонном и вертикальном падении, связаны соотношением: w_накл = w_верт secj₀. Максимальная частота волны, отражающейся от ионосферы при данном угле падения, т. е. для данной длины трассы, называется максимальной применимой частотой (МПЧ).

Двойное лучепреломление. Существенное влияние на распространение радиоволн оказывает магнитное поле Земли H₀ = 0,5 э, пронизывающее ионосферу. В постоянном магнитном поле ионизированный газ становится анизотропной средой. Попадающая в ионосферу волна испытывает двойное лучепреломление, т. е. расщепляется на 2 волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, поглощением и поляризацией. В магнитном поле H₀ на электрон, движущийся со скоростью u, действует сила Лоренца, под действием которой электрон вращается с частотой  (гироскопическая частота) вокруг силовых линий магнитного поля. Вследствие этого изменяется характер вынужденных колебаний электронов ионосферы под действием электрического поля волны.

В простейшем случае, когда направление распространения радиволн перпендикулярно H₀ (Е лежит в одной плоскости с H₀), волну можно представить в виде суммы 2 волн с Е ^ Н₀ и Е || Н₀. Для первой волны (необыкновенной) характер движения электронов и, следовательно, n изменяются, для второй (обыкновенной) они остаются такими же, как и в отсутствии магнитного поля:

, (7)

В случае произвольного направления распространения радиволн относительно магнитного поля Земли формулы более сложные: как n₁, так и n₂ зависят от w_H. Поскольку отражение радиоволны происходит от слоя, где n = 0, то обыкновенная и необыкновенная волны отражаются на разной высоте. Критические частоты для них также различны.

По мере распространения радиволн в ионосфере из-за различия в скорости накапливается сдвиг фаз между волнами, вследствие чего поляризация результирующей волны непрерывно изменяется. Линейная поляризация падающей волны в определённых условиях сохраняется, но плоскость поляризации при распространении поворачивается (см. Вращение плоскости поляризации). В общем случае поляризация обеих волн эллиптическая.

Рассеяние радиоволн. Помимо регулярной зависимости электронной концентрации N от высоты (рис. 2), в ионосфере постоянно происходят случайные изменения концентрации. Ионосферный слой содержит большое число неоднородных образований различного размера, которые находятся в постоянном движении и изменении, рассасываясь и возникая вновь. Вследствие этого в точку приёма, кроме основного отражённого сигнала, приходит множество рассеянных волн (рис. 3), сложение которых приводит к замираниям — хаотическим изменениям сигнала.

Существование неоднородных образований приводит к возможности рассеянного отражения радиоволн при частотах, значительно превышающих максимальные частоты отражения от регулярной ионосферы. Аналогично рассеянию на неоднородностях тропосферы это явление обусловливает дальнее распространение радиволн (метрового диапазона).

Характерные неоднородные образования возникают в ионосфере при вторжении в неё метеоритов. Испускаемые раскалённым метеоритом электроны ионизируют окружающую среду, образуя за летящим метеоритом след, диаметр которого вследствие молекулярной диффузии быстро возрастает. Ионизированные следы создаются в интервале высот 80—120 км, длительность их существования колеблется от 0,1 до 100 сек. Радиоволны зеркально отражаются от метеорного следа. Эффективность этого процесса зависит от массы метеорита.

Нелинейные эффекты. Для сигналов не очень большой мощности две радиоволны распространяются через одну и ту же область ионосферы независимо друг от друга (принцип cуперпозиции), ионосфера является линейной средой. Для мощных радиоволн, когда поле Е волны сравнимо с характерным «плазменным полем» E_p ионосферы, e и s начинают зависеть от напряжённости поля распространяющейся волны. Нарушается линейная связь между электрическим током и полем Е.

Нелинейность ионосферы может проявляться в виде перекрёстной модуляции 2 сигналов (Люксембург-Горьковский эффект) и в «самовоздействии» мощной волны, например в изменении глубины модуляции сигнала, отражённого от ионосферы.

Особенности распространения радиоволн различного диапазона в ионосфере. Начиная с УКВ волны, частота которых выше максимально применимой частоты (МПЧ), проходят через ионосферу. Волны, частота которых ниже МПЧ, отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю. Такие радиоволны называются ионосферными, используются для дальней радиосвязи на Земле. Диапазон ионосферных волн снизу по частоте ограничен поглощением. Поэтому связь при помощи ионосферных волн осуществляется в диапазоне коротких волн и в ночные часы (уменьшается поглощение) в диапазоне средних волн. Дальность распространения радиволн при одном отражении от ионосферы ~ 3500—4000 км, т.к. угол падения j на ионосферу из-за выпуклости Земли ограничен: наиболее пологий луч касается поверхности Земли (рис. 4). Связь на большие расстояния осуществляется за счёт нескольких отражений от ионосферы (рис. 5).

Длинные и сверхдлинные волны практически не проникают в ионосферу, отражаясь от её нижней границы, которая является как бы стенкой сферического радиоволновода (второй стенкой волновода служит Земля). Волны, излучаемые антенной в некоторой точке Земли, огибают её по всем направлениям, сходятся на противоположной стороне. Сложение волн вызывает некоторое увеличение напряжённости поля в противолежащей точке (эффект антипода, рис. 6).

Радиоволны звуковых частот могут просачиваться через ионосферу вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Распространяясь вдоль магнитной силовой линии, волна уходит на расстояние, равное нескольким земным радиусам, и затем возвращается в сопряжённую точку, расположенную в др. полушарии (рис. 7). Разряды молний в тропосфере являются источником таких волн. Распространяясь описанным способом, они создают на входе приёмника сигнал с характерным свистом (свистящие атмосферики).

Для радиоволн инфразвуковых частот, частота которых меньше гироскопической частоты ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая нейтральная жидкость, движение которой описывается уравнениями гидродинамики. Благодаря наличию магнитного поля Земли любое смещение проводящего вещества, создающее электрический ток, сопровождается возникновением сил Лоренца, изменяющих состояние движения. Взаимодействие между механическими и электромагнитными силами приводит к перемещению случайно возникшего движения в ионизированном газе вдоль магнитных силовых линий, т. е. к появлению магнито-гидродинамических (альфвеновских) волн, которые распространяются вдоль магнитных силовых линий со скоростью 4,5×10⁴ м/с (r — плотность ионизированного газа).

Нелинейные эффекты при распространении радиоволн в ионосфере проявляются уже для радиоволн сравнительно небольшой интенсивности связаны с нарушением линейной зависимости поляризации среды от электрического поля волны. «Нагревная» нелинейность играет основная роль, когда характерные размеры возмущённой электрическим полем области плазмы во много раз больше длины свободного пробега электронов, Т. к. длина свободного пробега электронов в плазме значительна, электрон успевает получить от поля заметную энергию за время одного пробега. Передача энергии при столкновениях от электронов к ионам, атомам и молекулам затруднена из-за большого различия в их массах. В результате электроны плазмы сильно «разогреваются» уже в сравнительно слабом электрическом поле, что изменяет эффективную частоту соударений. Поэтому и плазмы становятся зависящими от поля Е волны и распространение радиоволн приобретает нелинейный характер. «Возмущение» диэлектрической проницаемости – характерное «плазменное» поле, T – температуpa плазмы, ð– ср. доля энергии, теряемая электроном при одном соударении с тяжёлой частицей, v – частота соударений.

Нелинейные эффекты могут проявляться как самовоздействие волны и как взаимодействие волн между собой. Самовоздействие мощной волны приводит к изменению её поглощения и глубины модуляции. Поглощение мощной радиоволны нелинейно зависит от её амплитуды. Частота соударений v с увеличением температуры электронов может как расти (в нижних слоях, где основную роль играют соударения с нейтральными частицами), так и убывать (при соударении с ионами), В первом случае поглощение резко возрастает с увеличением мощности волны («насыщение» поля в плазме). Во втором случае поглощение падает (т. н. просветление плазмы для мощной радиоволны). Из-за нелинейного изменения поглощения амплитуда волны нелинейно зависит от амплитуды падающего поля, поэтому её модуляция искажается (автомодуляция b демодуляция волны). Изменение n в поле мощной волны приводит к искажению траектории луча. При распространении узконаправленных пучков радиоволн это может привести к самофокусировке пучка аналогично самофокусировке света и к образованию волноводного канала в плазме.
Взаимодействие волн в условиях нелинейности приводит к нарушению суперпозиции принципа. В частности, если мощная волна с частотой с модулирована по амплитуде, то благодаря изменению поглощения эта модуляция может передаться др. волне с частотой о) а, проходящей в той же области ионосферы (рисунок 1) Это явление, называемое кроссмодуляцией или Люксембург-Горьковским эффектом, имеет практическое значение при радиовещании в диапазоне ср. волн.
 

Нагрев ионосферы в поле мощной волны в КВ-дианазоне может вызвать тепловую параметрическая неустойчивость в ионосфере, которая приводит к аномально большому поглощению радиоизлучения и расслоению плазмы. В области резонанса образуются сильно вытянутые вдоль H₀ – неоднородности ионосферы (с продольным масштабом 1 км, поперечным 0,5 – 100 м), которые перспективны для дальней связи в диапазоне УКВ, В поле очень мощных радиоволн электроны столь сильно разогреваются, что возникает электрический пробой газа. Если размеры возмущённой полем волны области плазмы много меньше длины свободного пробега электронов, нагревная нелинейность становится слабой. Это имеет место при коротких импульсах и узких пучках радиоволн, В этом случае основная роль играет т. н. стрикционная нелинейность, связанная с тем, что неоднородное переменное электрическое поле волны оказывает давление на электроны, вызывающее сжатие плазмы. Концентрация электронов , а следовательно, становятся зависящими от амплитуды поля, Стрикционная нелинейность приводит к изменению диэлектрической проницаемости, меньшей нагревного изменения на несколько порядков (при той же мощности волны), Стрикционная нелинейность играет важную роль в параметрической неустойчивости ионосферы.

Условия приема передач, когда независимо от погоды, состояния солнечной активности, времени суток и года, температуры и влажности воздуха, а также других факторов обеспечивается прием программ заранее выбранного передатчика называют уверенным приемом.
Официальная зона уверенного приема определяется расстоянием прямой видимости передающей антенны до точки установки приемной антенны. При этом исходят из того, что ультракороткие волны (УКВ), на которых ведутся телевизионные передачи, распространяются прямолинейно, подобно свету, не огибают земную поверхность и не отражаются ионосферой в противоположность волнам коротковолнового диапазона. В связи с тем, что поверхность земли шарообразна с радиусом сферы около 6370 км, можно вывести следующую формулу для определения максимальной дальности, соответствующей прямой видимости:

где D – максимальная дальность прямой видимости, км; Н – высота передающей антенны, м; h – высота приемной антенны, м.
Формула не учитывает фактического рельефа местности и предполагает, что антенны установлены на идеально ровной сферической поверхности Земли. Кроме того, при распространении радиоволн УКВ диапазона все-таки имеют место и дифракция, и рефракция радиоволн. Дифракцией радиоволн называют явления, возникающие при встрече радиоволн с препятствиями, когда они огибают препятствие и проникают в область тени, отклоняясь от прямолинейного пути. Когда передающая и приемная антенны разделены выпуклостью земного шара, дифракция радиоволн является одной из причин приема сигналов за пределами прямой видимости. Эффект дифракционного проникновения радиоволны в область тени зависит от соотношения между размером препятствия и длиной волны и выражен тем сильнее, чем больше длина волны. Поэтому в диапазоне УКВ, где длина волны сравнительно мала, эффект дифракции не так велик, как в диапазоне длинных или средних волн, но все-таки имеет место.

Распространению радиоволн за пределы прямой видимости также способствует явление, называемое нормальной тропосферной рефракцией (преломлением). Показатель преломления зависит от давления и температуры воздуха, которые убывают с высотой. Это приводит к увеличению максимальной дальности возможного уверенного приема телевизионных передач по сравнению с максимальной дальностью, ограниченной условиями прямой видимости.
Помимо явлений дифракции и нормальной рефракции дальнему распространению радиоволн способствует их рассеяние различными наземными металлическими предметами в виде железобетонных масс зданий, мостов, мачт, а также неоднородностями в верхних слоях атмосферы. В результате рассеяния возникают вторичные излучения сигнала, которые, конечно, значительно слабее по мощности основного. Однако при наличии высокоэффективной антенны и достаточно чувствительного телевизионного приемника можно считать реальным достижение уверенного приема телевизионных передач благодаря упомянутым выше явлениям на значительно больших расстояниях, чем дает формула дальности прямой видимости. Практика подтверждает такой вывод. Действительно, подставив в формулу высоты передающей 525 м (высота Останкинской телебашни) и приемной 30 м антенн, получим дальность, равную 101 км, хотя известно, что в действительности передачи телецентра в Останкине хорошо видны па значительно больших расстояниях.
Область, в пределах которой оказывается возможным уверенный прием телевидения, можно поэтому разбить на две зоны: прямой видимости и полутени. В зоне прямой видимости напряженность электромагнитного поля сигнала достаточно велика, и прием возможен с помощью обычных антенн. Расширить зону прямой видимости данного телевизионного передатчика в целях использования сравнительно простой антенны можно лишь увеличением высоты ее установки. Однако в связи с тем, что высот приемной антенны обычно значительно меньше высоты передающей, расширение зоны прямой видимости таким способом оказывается незначительным. Так, в приведенном выше примере увеличение высоты приемной антенны с 30 до 60 м дает расширение зоны прямой видимости с 101 лишь до 109 км. В зоне полутени напряженность поля сигнала значительно ниже, чем в зоне прямой видимости, так как в зону полутени проникает лишь небольшая часть энергии сигнала, излученного передающей антенной. Это вынуждает использование в зоне полутени для уверенного приема высокоэффективных антенн, которые отличаются от сравнительно простых большими размерами и значительно более сложной конструкцией.
Как уже было отмечено, с уменьшением длины волны явления дифракции ослабевают. При этом увеличивается затухание сигнала в атмосфере за счет поглощения энергии различными посторонними частицами (пыль, снег, дождь, туман) и молекулами воздуха. Поэтому протяженность зоны полутени зависит от длины волны, т. е. от номера частотного канала. При достаточно большой мощности телевизионного передатчика, когда ведется прием передач программного телецентра, зона полутени ограничена расстоянием 200... 220 км от передатчика, работающего на 1-2-м каналах, 160... 180 км от передатчика, работающего на 3-5-м каналах, 120... 150 км от передатчика, работающего на 6-12-м каналах. -оны полутени для диапазона дециметровых волн практически не существует. Кроме того, наблюдается повышенное затухание сигнала в атмосфере для этого диапазона. Вот почему можно считать, что зона уверенного приема дециметрового телевизионного передатчика ограничивается расстоянием прямой видимости, уменьшенным примерно в 1, 2 раза.
Следует заметить, что указанные границы зоны полутени и границы зоны прямой видимости не являются резкими, а в значительной степени размыты. Кроме того, они очень приближенны, так как совершенно не учитывают фактического рельефа местности. При наличии на трассе высоких холмов и горных преград максимальные расстояния уверенного приема могут оказаться значительно меньшими, а уверенный прием даже при небольших расстояниях от передатчика может оказаться совершенно невозможным. За границей зоны полутени напряженность поля практически равна нулю, и устойчивый прием нeocyществим даже при наличии высокоэффективных антенн.

Радиоволны КВ радиостанция так же, как и свет, распространяются прямолинейно. Но они могут преодолевать многие тысячи километров, огибая земной шар громадными скачками от нескольких сотен до 3000 км иболее, отражаясь попеременно от слоя ионизированного газа и от поверхности Земли или от воды.
Ещё в 20-х годах нашего столетия считалось, что радиоволны короче 200 м вообще не пригодны для дальней связи из-за сильного поглощения. И, вот когда были проведены первые эксперименты по дальне приёму коротких волн через Атлантику между Европой и Америкой, английский физик Оливер Хэвисайд и американский инженер-электрик Артур Кеннели независимо друг от друга предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать радиоволны. Этот слой получил название Хэвисайда-Кеннели, ил ионосферы.
По современным представлениям ионосфера состоит из отрицательно заряженный свободных электронов и положительно заряженный ионов, в основном молекулярного кислорода O⁺ и окиси азота NO⁺ . Ионы и электроны образуются в результате ионизации, которая заключается в отрыве электрона от нейтральной молекулы газа. А для того, чтобы оторвать электрон, необходимо затратить некоторую энергию – энергию ионизации, основным источником которой для ионосферы является Солнце, точнее его ультрафиолетовое, рентгеновское и корпускулярное излучения.
Пока газовая оболочка Земли освещена Солнцем, в ней непрерывно образуются всё новые и новые электроны, но одновременно часть электронов, сталкиваясь с ионами, вновь образует нейтральные частицы – атомы и молекулы. После захода Солнца образование новых электронов почти прекращается и число свободных электронов начинает убывать. Вообще, чем больше свободных электронов в ионосфере, тем лучше от неё отражаются волны высокой частоты. А если электронов мало, то дальнее прохождение наблюдается только на низкочастотных КВ диапазонах. Вот почему ночью, как правило, возможен приём дальних станций лишь в диапазонах 75, 49, 41 и 31 м.
Электроны распределены в ионосфере неравномерно. На высоте от 50 до 400 км имеется несколько слоёв или областей повышенной концентрации электронов. Эти области плавно переходят одна в другую и по-разному влияют на распространение радиоволн КВ диапазона.
Самая верхняя область, кстати, самая плотная, получила название области F. Она расположена на высоте более 150 км над поверхностью Земли и играет основную отражательную роль при дальнем распространении радиоволн высокочастотных КВ диапазонов. Иногда в летние месяцы область F распадается на два слоя – F1 и F2. Слой F1 может занимать высоты от 200 до 250 км, а слой F2 как бы “плавает” в интервале высот 300 ... 400 км. Обычно слой F2 ионизирован значительно сильнее слоя F1. Ночью слой F1 исчезает, а слой F2 остаётся, медленно теряя до 60 % своей ионизации.
Ниже области F на высотах от 90 до 150 км расположена область E, ионизация которой происходит под воздействием мягкого рентгеновского излучения Солнца. Обычно степень ионизации области E ниже, чем области F. Однако днём приём станций низкочастотных КВ диапазонов 31 и 25 м происходит при отражении сигналов от области E. Обычно это станции, расположенные на расстоянии 1000 ... 1500 км. Ночью в области E ионизация резко уменьшается, но и в это время она продолжает играть заметную роль в приёме сигналов станций диапазонов 41, 49 и 75 м.
Большой интерес для приёма сигналов высокочастотных КВ диапазонов 16, 13 и 11 м представляют образующиеся в области E прослойки (точнее облака) сильно повышенной ионизации. Площадь этих облаков может изменяться от единиц до сотен квадратных километров. Этот слой повышенной ионизации получил название – спорадический слой E и обозначается Es. Облака Es могут перемещаться в ионосфере под воздействием ветра и достигать скорости до 250 км/час. Летом в средних широтах в дневное время происхождение радиоволн за счёт облаков Es за месяц бывает 15 ... 20 дней. В районе экватора он присутствует почти всегда, а в высоких широтах обычно появляется ночью. В годы низкой солнечной активности, когда нет прохождения на высокочастотный КВ диапазонах, иногда, как подарок, на диапазонах 16, 13 и 11 м с хорошей громкостью вдруг появляются дальние станции, сигналы которых многократно отразились от Es.
Самая нижняя область ионосферы – область D расположена на высотах между 50 и 90 км. Здесь сравнительно мало свободных электронов. От области D хорошо отражаются длинные и средние волны, а вот сигналы станций низкочастотный КВ диапазонов сильно поглощаются. Это днём, а после захода Солнца ионизация очень быстро исчезает и появляется возможность принимать дальние станции в диапазонах 41, 49 и 75 м, сигналы которых отражаются от слоёв F2 и E.
Из изложенного выше стала понятна роль отдельных слоёв ионосферы а распространении сигналов КВ радиостанций. Необходимо добавить, что если сигнал отразился от сигналов КВ радиостанций. Необходимо добавить, что если сигнал отразился от слоя E ( или Es ), то скачок не превышает 2000 км, а от слоя F ( точнее F2 ) – 4000 км. Скачков может быть несколько, и тогда к вашему радиоприёмнику приходят сигналы от вещательных станций, отстоящих на тысячи километров. На дневной стороне Земли такой сигнал довольно сольно ослабляется при многократном прохождении через область D. За одним скачок это случается дважды. Чем ниже частота, тем это ослабление заметнее.

Но это единственный путь волны в ионосфере по пути от передатчика к вашему приёмнику. Иногда создаются такие условия, при которых волна, отразившихся от слоя F2, не возвращается обратно к Земле, а распространяется, отражаясь попеременно от слоёв E(Es) и F2. Волна как бы попала в ионосферный волновод и проходит многие тысячи километров при относительно малом ослабление.

А вот подходящие условия для выхода волны из этого волновода обычно образуются в месте приёма при восходе или заходе Солнца. Обычно это даёт возможность принимать станции, расположенные на противоположный точке земного шара. Это явление наиболее явно выражено на низкочастотных КВ диапазонах. Продолжительность такого приема в диапазоне 75 м может быть около часа. При переходе на более коротковолновые диапазоны это время сокращается.
В это статье при описании ионосферы и распространении в ней сигналов КВ станций совершенно не учитывались циклы солнечной активности и возмущения в ионосфере, связанные с “живым” Солнцем. Об этом, а также как самому сделать прогноз прохождения - в следующей статье.

Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферичность земной поверхности (средний радиус земного шара равен 6370 км) препятствует прямолинейному распространению радиоволн. Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) от поверхности Земли, будем называть земными радиоволнами.

При теоретическом рассмотрении условий распространения земных радиоволн атмосферу считают сначала непоглощающей средой с относительными диэлектрической и магнитной проницаемостями, равными единице, а затем вносят необходимые поправки.

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. Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности, кроме того, ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий. Тропосфера влияет на распространение земных волн и обеспечивает распространение так называемых тропосферных волн. Распространение тропосферных волн связано с рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной тропосфере, а также с рассеянием и отражением радиоволн от неоднородностей тропосферы. 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. 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 волнами. На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.

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. 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.

Антенна (от лат. antenna – мачта, рея) – преобразователь (обычно линейный) волновых полей; в традиционном понимании – устройство, осуществляющее излучение волн, поступающих к антенне либо непосредственно от передатчика, либо через антенно-фидерный тракт (антенна, работающая в режиме передачи, излучения), или устройство, осуществляющее преобразование падающего излучения и посылку его к приемнику (антенна, работающая в режиме приема, поглощения). В более широком смысле антенной можно назвать любой преобразователь волнового поля в неоднородной среде (в волноводах, резонаторах и т. п.), т. е. антенна принципиально не отличается от трансформатора мод, преобразующего (по возможности оптимально, т. е. согласованно с окружающим пространством) поле одного типа (например, моду, бегущую по линии передачи) в поле другого типа (например, моду, излученную в окружающее пространство). Приемные и передающие антенны по принципу действия идентичны, ибо в любых линейных системах (кроме гиротропных) коэффициенты преобразования полей взаимны. Однако технические особенности приемных и передающих антенн могут значительно расходиться из-за различий в предъявляемых к ним эксплуатационных требованиях (предельные мощности, полоса частот, шумы и т. п.).

Рассмотрим радиоантенны, т. е. преобразователи электромагнитных волн радиодиапазона (с длиной волны от 1 мм до нескольких км). Естественные и искусственные акустические и гидроакустические преобразователи волновых полей (например, органы излучения и приема звука у насекомых, животных, человека) – это, по существу, древнейшие антенны. Появившиеся значительно раньше, чем радиоантенны, оптические преобразователи волновых полей, во многом стимулировавшие создание ряда типов радиоантенн – линзовых, зеркальных, перископических и т. п. (аналогично тому, как акустические преобразователи полей стимулировали появление рупорных антенн), также имеют право называться антеннами, однако, в силу исторически сложившихся традиций, в большинстве своем (кроме инфракрасного и субмиллиметрового диапазонов электромагных волн) так не называются. Само латинское слово antenna в начале ХХ века было использовано радиоинженерами для обозначения ДВ-преобразователей электромагнитных полей – проводов, укрепленных на мачтах.

Появление радиоантенн относится к концу ХIХ в. В 1888 Г. Герц (Н. Herz), использовав дипольную антенну (вибратор Герца), получил электромагные волны (м), подтвердив выводы теории Максвелла. В 1895 – 96 А. С. Попов и независимо Г. Маркони (G. Marconi) создали антенны, использовавшиеся для практических целей. Антенна Попова, в отличие от симметричного вибратора Герца, была несимметричной, вторым проводником служила Земля. Первоначально функции передатчика (приемника), линии передачи и собственно антенны были совмещены в одном узле, но в дальнейшем антенны выделились в самостоятельные устройства.
До 1924 антенны создавались в основном для ДВ и СВ (длина волны от 200 м до 20 км). Эти антенны (рис. 1) являются развитием и модификацией несимметричной заземленной антенны Попова. В 1924-31 появляются антенны для KB (длина волны 10-75 м), используемые для дальней связи. Развитие в 1940-50-х гг. теории и техники УКВ- и СВЧ-радиоволн (метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые волны), связанное с потребностями радиовещания, телевидения, радиолокации, а затем радиоастрономии и космической связи, привело к созданию общей теории антенны и множества новых типов антенн, в т. ч. щелевых антенн, диэлектрических антенн, антенных решеток и зеркальных антенн, антенн переменного профиля, а также сложных антенных комплексов – радиоинтерферометров и систем апертурного синтеза.
Излучение радиоволн. В соответствии с принципом взаимности, которому удовлетворяют поля в любых линейных системах и средах (кроме гиротропных), многие характеристики передающих и приемных антенн взаимно сопоставимы. В частности, одним из следствий принципа взаимности является совпадение диаграммы направленности (ДН) при работе антенны на передачу и на прием.

Поле излучения создается антенной благодаря возбужденным в ней переменным токам. Это могут быть токи проводимости или поляризации, текущие по различным элементам антенны, или условные токи, вводимые в качестве эквивалентов сторонних (т. е. поддерживаемых каким-либо внешним источником) полей Е и (или) Н.