Šíření elektromagnetického záření

Úvod

Ve volném prostoru (vakuum) se šíří od zdroje po přímce. Při přechodu do nevodivého materiálu se záření zpomalí a dojde k jeho lomu. Od elektricky vodivých předmětů se záření odráží. Na ostrých hranách elektricky vodivých překážek může dojít za vhodných podmínek k lomu záření.

Pokud budeme vysílat na povrchu Země, bude šíření záření ovlivňovat především atmosféra a terén. Vlastní těleso Země můžeme považovat za elektricky vodivé, proto se od něj záření odráží. Šíření záření je atmosférou a Zemí ovlivňováno různě podle vlnové délky, čím vyšší kmitočet záření, tím méně je ovlivňován.

Ve vyšších výškách je zemská atmosféra vystavena velmi intenzivnímu slunečnímu záření. Vlivem tohoto záření dochází k ionizaci molekul plynů a vytváření oblaků elektricky vodivých částic. Tato oblaka jsou pro některé kmitočty elektromagnetického záření neprůhledná, chovají se jako elektricky vodivé a dopadající záření odrážejí zpět. Elektricky vodivé vrstvy se vytváří v různých výškách a jsou značně ovlivňovány sluneční činností. Oblast ionizovaných plynů se nazývá ionosféra.

Při šíření radiových vln na zemském povrchu rozeznáváme tři případy. Především je to vlna přímá (1) - vlna, která se šíří stejně jako světlo jen v dosahu přímé viditelnosti. Pak je to vlna povrchová (2) - zde do šíření signálu zasahují jevy v atmosféře - především změna hustoty vzduchu a tím i indexu lomu s přibývající výškou. Tím dochází k postupnému lomu elektromagnetického záření a paprsek se přihýbá k povrchu Země (jev se nazývá refrakce). Díky tomu je dosah vysílačů o něco vyšší než přímá viditelnost (pro potřeby výpočtů dosahu se zavádí tzv. ekvivalentní poloměr Země). Poslední vlnou je vlna prostorová (3). Ta by se šířila v podstatě do nekonečna, ale záření o vhodné frekvenci je odraženo zpět k zemskému povrchu.

Vrstvy ionosféry

V ionosféře se vytvářejí vodivé vrstvy. Podle složení atmosféry a intenzity slunečního záření vznikají různě mohutné vrstvy v různých výškách. Protože intenzita slunečního záření kolísá v jedenáctiletých cyklech, mění se ve stejných cyklech i podmínky pro šíření zejména krátkých vln. V období maxima sluneční činnosti se lze setkat s mimořádnými jevy při příjmu signálů (slyšitelnost zaoceánských vysílačů VKV, kolísání slyšitelnosti běžných vysílačů KV a SV). Lze se setkat i se soustředěním nebo naopak rozptylem vyzářených svazků záření na zprohýbaných ionosférických vrstvách. Ionosféra za běžných podmínek odráží všechno záření s kmitočtem pod 20MHz. V současnosti je dobře rozpracována teorie těchto vodivých vrstev a můžeme se setkat s předpověďmi šíření krátkých vln, zejména pro potřeby radioamatérů. Elektricky vodivé vrstvy v ionosféře jsou značeny písmeny.

Vrstva F

Vzniká ve výškách od 150 do 300 km. Ve dne v létě se štěpí na dvě oblasti F1 a F2. Oblast F1 vzniká ve výšce 130 až 250 km a odráží kmitočty do 5,5 MHz. Oblast F2 se nachází ve výšce nad 250 km a odráží kmitočty pod 13 MHz. V noci zůstává vrstva F ve výšce nad 250 km a odráží kmitočty do 5 MHz.

V období maxima sluneční činnosti může vrstva F odrážet i kmitočty do 30 MHz. Tyto vrstvy mají vliv především na šíření krátkých vln. Při vhodném směrování antén lze dosáhnout i vícenásobných odrazů mezi ionosférou a povrchem Země. V takových případech se může vysílané záření šířit o okolo celé Země.

Vrstva E

Vzniká ve výškách 90 až 130 km. Je velmi závislá na denním chodu Slunce. Odráží především střední vlny. V noci, po zániku vrstvy D i vlny dlouhé. Vzhledem k velké nestabilitě vrstvy se k pravidelnému vysílání nedá odraz použít. Při příjmu středovlnných vysílačů působí odraz od této vrstvy velké kolísání úrovně signálu (úniky).

Vrstva D

Vzniká ve výšce 50 až 90 km pouze ve dne. Po západu Slunce okamžitě zaniká. Odráží především dlouhé vlny, ostatní jsou průchodem touto vrstvou zeslabovány. Po jejím zániku se dosah dlouhovlnných a středovlnných vysílačů výrazně zvýší.

Vrstva E_s

Sporadická vrstva. Vzniká při mimořádných atmosférických situacích ve stejné výšce jako vrstva E. Díky vysoké hustotě iontů dochází na této vrstvě k odrazu záření kratších vlnových délek (VKV a televizní signál), které se pak šíří na mimořádně velké vzdálenosti (transatlantický příjem vysílačů VKV, příjem velmi vzdálených vysílačů v I. a III. TV pásmu).

Důležité jevy při šíření elektromagnetických vln v atmosféře

Ohyb v atmosféře (refrakce)

K ohybu dochází díky tomu že hustota vzduchu s výškou klesá. Tím se mění index lomu prostředí a záření je stáčeno do oblasti s vyšší hustotou vzduchu. Tento jev je pro praktické šíření signálu zanedbatelný. V mimořádných podmínkách při silném zvrstvení atmosféry (inverze apod.) se tento jev zesiluje. V určitých případech může dojít i vytvoření vlnového kanálu mezi povrchem Země a inverzní vrstvou.

Lom a odraz v atmosféře (frontální rozhraní apod.)

Na frontálním rozhraní - tj. rozhraní mezi studeným a teplým vzduchem,může dojít k lomu nebo odrazu elektromagnetických vln. Tento jev se týká především velmi krátkých (VKV) a ultra krátkých vln (UKV). Při vhodné orientaci fronty a vysílače mohou být elektromagnetické vlny nasměrovány za obzor i na poměrně velké vzdálenosti.

Odraz na troposférickém rozptylu

V troposféře je běžná velká teplotní nestabilita. Ta způsobí, že se v celém prostoru troposféry vyskytují oblasti s rozdílnou teplotou vzduchu i v objemově malých prostorech (bubliny, vrstvy...). Na teplotních rozhraních vrstev či bublin dochází k lomu i odrazu elektromagnetického záření. Při velkých vysílacích výkonech a téměř vodorovně směřovaných svazcích vln může dojít k vytvoření poměrně stabilních spojení se vzdálenými stanicemi. Při vhodném zvrstvení atmosféry (do velkých vodorovných vrstev) se mohou vytvořit i vlnové kanály. Spojení je pak možné i na poměrně značné vzdálenosti.

Lom na ostré překážce (hřbety pohoří)

Pokud elektromagnetické vlny dopadají šikmo na ostrou překážku, dochází na hraně překážky k lomu a změně směru záření. To umožňuje příjem v místech která nemají přímou viditelnost na vysílač. Příkladem může být příjem německých vysílačů VKV v Praze, kdy dochází k lomu vln na vhodně orientovaném pohoří - hřebenech Krušných Hor.

Odraz od Měsíce

Energie vysílače je pomocí anténního systému vyzářena v úzkém paprsku směrem k Měsíci. Od povrchu Měsíce se záření odrazí a vrací se zpět k Zemi, kde jej může zachytit protilehlá stanice. Paprsek je po odrazu částačně rozptýlen a signál je slyšitelný na celé zemské polokouli přivrácené k Měsíci. Pro vysílaní se používají velmi krátké a ultra krátké vlny.

Odraz od meteorických stop, drah blesků, polární záře

Při vysílání se využívá mimořádných jevů v atmosféře. Při všech těchto jevech se vytvářejí krátkodobé a nestabilní ionizované oblasti ve velkých výškách, které je možné použít k odražení vysílaného záření do místa příjmu.

Odraz od ionosféry

Používá se především pro vysílání v dolních pásmech krátkých vln. U vyšších kmitočtů dochází k odrazům pouze za mimořádných podmínek. V případech několikanásobných odrazů lze překonat extrémní vzdálenosti.

Vlnový kanál

Vlnový kanál vznikne mezi nejnižší vrstvou ionosféry a povrchem Země. Pokud má vlna srovnatelnou vlnovou délku s velikostí vlnového kanálu, nešíří se už přímočaře, ale sleduje tvar kanálu. Tak se mohou za vhodných podmínek šířit velmi dlouhé vlny i okolo celé Země. S vlnovým kanálem se setkáme při šíření VDV, DV a SV.

Šíření vln podle kmitočtu

VDV

- podle výkonu vysílače v podstatě neomezený dosah. Při vhodně volených kmitočtech pronikají hluboko pod povrch Země nebo i pod vodní hladinu. Šíření časových signálů (DCF 77,5 kHz), podzemní radary - vyhledávání ložisek rud, spojení s ponorkami. Vzhledem k nízkým kmitočtům se nepoužívají pro přímý přenos hlasu, ale pouze pro telegrafii, dálnopis a přenos faksmilií.

DV

- Velmi velký dosah (3000km a více). Používají se k šíření AM rozhlasu na velkých málo zalidněných územích, k přenosu časových signálů a dat v případech kdy je nutné pokrytí velkého území. V hustě osídlených oblastech nemá použití DV smysl - vzájemné rušení vysílačů.

SV

- Povrchová vlna se šíří v podstatě na přímou viditelnost od vysílače, prostorová vlna může po odrazu od ionosféry překonat i tisíce km. Vzhledem k nestabilitě vrstvy E nelze prostorovou vlnu používat k trvalému vysílání, naopak při nevhodných podmínkách (dopad záření v protifázi) může prostorová vlna zeslabovat vlnu povrchovou, kdy působí charakteristická zeslabení signálu - tzv. únik. Vzhledem k tomu se prostorová vlna omezuje vhodnou konstrukcí antény. Pro pokrytí větších území se používá synchronizace vysílačů, kdy vzdálenější vysílače vysílají s malým časovým zpožděním. Protože SV mají větší dosah než VKV a přijímače pro SV jsou výrobně jednodušší, používají se v současnosti SV k pokrytí oblastí s menší hustotou obyvatelstva. Používají se k přenosu AM rozhlasu. Na několika kmitočtech vysílají radiomajáky, které se používají k zaměření polohy v letecké a námořní dopravě.

KV

- Povrchová vlna se šíří pouze na přímou viditelnost. Prostorová vlna se odráží od vrstvy F a může překonat desítky tisíc kilometrů. Výjimkou nejsou ani několikanásobné odrazy mezi ionosférou a Zemí, kdy mohou vlny obletět okolo celé Země. Vzhledem k velké stabilitě vrstvy F lze KV použít i k pravidelnému vysílání do vzdálených oblastí. Pro směrování se používají složité antény které dokáží vyzářit svazek záření potřebným směrem. Používají se k vysílání AM rozhlasu do zahraničí, pro dálková spojení (mezikontinentální), pro vysílání časových značek a povětrnostních map, pro nouzovou komunikaci (dálnopis, telegrafie) v případě výpadku obvyklých spojovacích kanálů (diplomatické služby, armáda, námořní a letecké služby) a pro dálkové radiolokátory s dosahem přes 5000 km. V zhledem k zvláštnostem dálkových spojení je toto pásmo velmi oblíbené radioamatéry.

- Kmitočty na horním konci pásma se už od ionosféry neodráží, ale prochází volně do kosmického prostoru. Tyto kmitočty se používají pro místní spojení a pro spojení ze satelity.

VKV

- Dosah pouze na přímou viditelnost, málokdy více jak 80 km od vysílače. Stabilní podmínky šíření, malé rušení. Vysílání FM rozhlasu, TV, datové a dálnopisné služby, letecké, kosmické a pozemní služby, radiolokace. Vzhledem k malým rozměrům antén vhodné k použití na mobilních zařízeních.

UKV a mikrovlny

dosah pouze na přímou viditelnost. Stabilní podmínky šíření, vyšší kmitočty jsou citlivé na obsah vodních par v atmosféře (vyšší útlum za deště a mlhy). Použití TV vysílání, datové přenosy, mobilní telefonie, letecká, kosmické a pozemní dopravní služby, satelitní vysílání, radiolokace.

Šíření vln mimo zemský povrch

Pro vysílání do kosmického prostoru můžeme použít kmitočty od 20MHz do 30GHz. Nižší kmitočty neprojdou ionosférou, vyšší jsou zatlumeny molekulami vodní páry v atmosféře. Další vhodné okno je v oblasti světelného záření.