Енергія, яку випромінює передавальною антеною, поширюється в просторі у вигляді електромагнітних хвиль.
Електромагнітні хвилі описуються наступними характеристиками.
- Довжина хвилі λ - найкоротша відстань між двома точками в просторі, на якому фаза електромагнітної хвилі змінюється на 2π.
- Частота f - число повних періодів зміни напруженості поля в одиницю часу.
- Швидкість поширення хвилі С - швидкість поширення послідовності хвиль від джерела енергії.
Частота електромагнітних хвиль, швидкість поширення і довжина хвилі пов'язані співвідношенням $ \ lambda = \ frac {C} {f} $.
Одиницею вимірювання частоти є герц (гц); 1 гц - одне коливання в секунду, 1 кГц (1 кілогерц) - 1 000 Гц, 1 Мгц (1 мегагерц) - 1 000 кГц - 1 000 000 гц.
Швидкість поширення електромагнітних хвиль в порожнечі - 300 000 000 м / сек. Підставляючи значення швидкості поширення в формулу для довжини хвилі, отримуємо:
$$ \ lambda [м] = \ frac {300000000 [м / сек]} {f [гц]}, $$ або $$ \ lambda [м] = \ frac {300000 [км / сек]} {f [кГц ]}, $$
Частота визначається за формулою
$$ f [кГц] = \ frac {300000 [км / сек]} {\ lambda [м]}. $$
Радіозв'язок між двома пунктами, розташованими на поверхні землі, здійснюється просторовими або поверхневими хвилями. Дальність розповсюдження поверхневих хвиль середнього аматорського передавача дорівнює 10 км (максимум 100 км). У радіоаматорського практиці поверхневі хвилі для зв'язку не застосовуються, так як вони поширюються уздовж земної поверхні і в короткохвильовому діапазоні відчувають сильне поглинання. Зв'язок на великі відстані при малих потужностях передавачів стає можливою завдяки просторовим хвилях, які відбиваються від іоносфери.
Завдяки наявності електрично заряджених частинок верхні шари атмосфери проводять і мають властивість відбивати радіохвилі. Область атмосфери, в якій відбувається іонізація, називається іоносферою. Існує два чітко виражених максимуму іонізації: один на висоті від 90 до 170 км, так званий шар Е, і шар F, який починається на висоті 200 км і триває до висоти 500 км. Шар F розщеплюється на два шари - F 1 (від 200 до 300 км) і F 2 (від 300 до 500 км). Вище іоносфери знаходиться так звана «екзосфера», яка є початком космічного простору. Екзосфера ще порівняно слабо досліджена, і тільки обробка вимірювань, проведених за допомогою штучних супутників Землі, дозволила припустити, що концентрація електронів в екзосфері значно вище, ніж передбачалося до цих пір. Самий нижній шар іоносфери, шар D, щодня виникає на висоті від 40 до 60 км.
Будова іоносфери безперервно змінюється, і тому не слід розуміти будову іоносфери (рис. 1-1) як нерухому систему розташованих один над одним шарів. Розрізняються зміни будови іоносфери, мають добову, річну періодичність, а також зміни, пов'язані з періодом сонячної активності. Максимум сонячної активності збігається з виникненням на Сонце смолоскипів і протуберанців і має період, рівний приблизно 11 років. Внаслідок збільшення сонячної активності збільшується інтенсивність короткохвильового світлового випромінювання і відбувається більш інтенсивна іонізація верхньої атмосфери. Зміна концентрації електронів в свою чергу призводить до зміни відбивної здатності іонізованих шарів. Річні і щоденні зміни стану іоносфери стають зрозумілими, якщо врахувати, що в зимові місяці вплив сонячного випромінювання на іоносферу менш тривало і інтенсивно, ніж в літні місяці; таким же чином позначається недостатнє ультрафіолетове випромінювання в нічні години.
Шар D, що знаходиться у відносно щільних шарах атмосфери, має максимальну електронну концентрацію в денні години, а з заходом Сонця електронна концентрація швидко зменшується до нульового значення. У шарі D сильне ослаблення відчувають радіохвилі средневолнового діапазону, а також довгохвильової частини короткохвильового діапазону. Зменшення дальності поширення в діапазонах 160 і 80 м, а також погіршення прийому середньохвильових станцій в денні години в основному пояснюється поглинанням цих хвиль в шарі D. У зимові місяці, коли шар D іонізований слабкіше, спостерігається збільшення дальності поширення цих хвиль в денні години. Шар Е, що знаходиться вище шару D, в нічні години зникає частково. Хвиля довжини 80 м частково поглинається в шарі Е, а хвиля довжини 40 м при достатній електронної концентрації відбивається.
Основне значення для поширення електромагнітних волі має шар F, так як завдяки йому збільшується дальність зв'язку на коротких хвилях. У денні години шар F під впливом інтенсивного ультрафіолетового випромінювання розпадається на два окремих шару F 2 і F 1. Основним шаром є шар F 2. Шар F 1 не має такого значення, а навіть навпаки, в ньому відбувається додаткове поглинання енергії радіохвиль, відбитих від шару F 2.
Хвилі, що випромінюються антеною і проникаючі в іоносферу, досягнувши певної висоти, на якій електронна концентрація досить велика, відображаються назад до Землі. Чим вище частота хвилі, тим більше повинна бути необхідна для відображення електронна концентрація. Відображення відбувається з втратами енергії, причому хвилі, що мають низькі частоти, відчувають сильніший поглинання, ніж більш високі. Так, хвилі частоти нижче 2 Мгц днем взагалі не відображаються, і тільки при зменшенні електронної концентрації в нічні години відображення хвиль цих частот стає можливим. Надвисокочастотні хвилі не відображаються і вдень, а, пройшовши шари іоносфери, йдуть в космічний простір.
Внаслідок мінливого будови іоносфери наведене опис не дає повної, картини відбуваються в іоносфері процесів; тут наведено лише відомості, необхідні для розуміння наступних розділів.
Для отримання найбільшої дальності зв'язку в короткохвильовому діапазоні можна вказати певні оптимальні кути випромінювання антени; вони залежать від робочої частоти передавача, а також від висоти і електронної концентрації відбиває шару. З рис. 1-2 видно, які вертикальні кути випромінювання слід вибирати для просторових хвиль.
Якщо кут випромінювання відносно великий, то основне випромінювання антени, потрапивши в шар F 2 і відбившись, повертається на Землю на порівняно невеликій відстані d 1 від передавача. Робота з такою антеною дає упевнену зв'язок на невеликих відстанях, але не дає можливості проводити далекі зв'язку. Антена з трохи більш пологим кутом випромінювання α2, дає значно більшу відстань (стрибок) d 2. Зі збільшенням числа стрибків збільшується дальність зв'язку. Однак при цьому слід враховувати, що кожен стрибок зменшує енергію радіохвиль, так як кожне проходження через іонізовані шари супроводжується поглинанням.
Очевидно, що для далеких зв'язків оптимальним є дуже пологий кут α3.
Випромінювання короткохвильових антен завжди займає більш-менш широкий вертикальний сектор, в межах якого є один або більше число пелюсток діаграми спрямованості. Звичайно, неможливо побудувати антену в аматорському короткохвильовому діапазоні, яка випромінювала б електромагнітні хвилі в різко обмеженому вугіллі, як, наприклад, в дециметровому діапазоні. Наскільки антена придатна для дальніх зв'язків, можна визначити по тому, наскільки притиснуті до землі основні пелюстки діаграми спрямованості цієї антени. Вертикальний кут нахилу діаграми спрямованості сильно залежить від висоти підвісу антени і провідності землі. На рис. 1-3 показано, на які кути нахилу α при різних висотах підвісу антени А можна розраховувати в кожному аматорському діапазоні.
Так як іоносфера схильна до постійних змін, то і оптимальні кути для кожного діапазону змінюються. У табл. 1-1 наведені оптимальні сектори кутів випромінювання, в межах яких можна розраховувати на стійкі далекі зв'язку в кожному аматорському діапазоні.
Таблиця 1-1. Оптимальні сектори вертикального випромінювання Діапазон, м Діапазон кутів оптимального випромінювання, град 40 12-40 20 10-25 15 7-20 10 5-14