Особенности распространения радиоволн . Путеводитель в мир электроники. Книга 2

Глядя на мир, нельзя не удивляться

Козьма Прутков

Историю открытия электромагнитных волн вы теперь знаете хорошо. Но что собой представляет электромагнитная волна, радиоволна, как она распространяется в пространстве, что влияет на распространение, какие волны и почему используются в радиотехнике — об этом предстоит узнать сейчас.

Как устроена электромагнитная волна? Очень просто — взгляните на рис. 10.7.

Рис. 10.7. Распространение электромагнитной волны

Мы уже знаем, что переменное электрическое поле рождает переменное магнитное поле и наоборот. Вспомните также детскую игру «хождение по болоту», когда участникам дают два маленьких коврика, на которые они должны наступать. Поэтому, чтобы совершать движение, нужно постоянно эти коврики передвигать — то один, то другой. Так и электромагнитная волна. Она напоминает отрезок цепи, в котором имеется два колечка, причем заднее колечко всегда норовит встать вперед. Колечко «Н» — магнитного поля, «Е» — электрического. Возникнув в пространстве, например «уйдя» с антенны, кольцо «Е» выдвинет вперед себя кольцо «Н», затем кольцо «Е» исчезнет. А кольцо «Н» выдвинет вперед себя кольцо «Е». Вот так электромагнитная волна распространяется в пространстве. Поскольку электромагнитную волну рождают только переменные поля, графическое представление волны несколько изменяют, переходя от «колец» к синусоидам (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Физическая сущность электромагнитной волны

Вертикальное поле в данном случае — поле электрическое, горизонтальное — магнитное. Впрочем, положения полей могут быть и другими — например, электрическое поле может быть горизонтальным или наклонным. Это свойство называется

поляризацией электромагнитной волны.

Конечно, амплитуда электрической и магнитной составляющих волны, распространяющейся в какой-нибудь среде, например в воздухе или в кирпичной кладке домов, постепенно уменьшается. Говорят, что в веществе электромагнитная волна постепенно затухает. Но в вакууме волна может распространяться без затухания неограниченно долго. Интересный пример в данном случае являет нам космическое

реликтовое излучение, открытое совсем недавно. Как известно, появившаяся в 20-х гг. XX в. теория возникновения Вселенной в результате большого взрыва предполагала обнаружение в пространстве остатков этого процесса — электромагнитных волн. Сегодня реликтовое излучение обнаружено. Реликтовые электромагнитные волны прошли путь, равный миллиардам световых лет (!). Это — слепки молодой Вселенной, ее следы.

Но вернемся к делам земным. Чуть выше мы упоминали о том, что разработчики радиостанций постоянно стремились повысить излучаемую мощность. Эта мощность переносится электромагнитной волной.

Как видно из рис. 10.8, компоненты электромагнитной волны — магнитная и электрическая — имеют колебательный характер, значит, в качестве характеристики волны можно ввести ее частоту. Однако, поскольку волна распространяется в пространстве, точки А и В, в которых колебания имеют одинаковую фазу, отстоят друг от друга на определенном расстоянии, очевидно, связанном с частотой. Понятно также, что скорость волны не равна бесконечности, а ограничена. Чем быстрее распространяется волна, чем больше будет ее скорость, тем дальше будут отстоять друг от друга точки А и В, тем меньше будет ее частота и больше длина. Очевидно, что частота, длина и скорость волны связаны между собой! Помните, еще в опытах Герца было выяснено, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света. Чуть позже установили — в среде, отличной от вакуума, волна распространяется немного медленнее. Если обозначить скорость буквой с, частоту — f, а длину — λ, то получим простое соотношение для связи перечисленных характеристик:

λ = c/f

Точное значение скорости распространения электромагнитной волны в вакууме:

с = 2,997925·10⁸ м/с.

Электромагнитные волны имеют очень широкий диапазон длин. Для того чтобы классифицировать волны по отличительным признакам и характерным особенностям, введена так называемая шкала электромагнитных излучений.

Изучая эту таблицу, можно сделать вывод, что видимый человеческим глазом свет тоже представляет собой электромагнитную волну, правда, имеющую частоту намного выше частоты радиоволн. Радиотехника никогда не «заползает» дальше диапазона радиоволн и очень редко пользуется низкочастотными волнами. Поэтому рассмотрим деление радиочастот согласно международному регламенту радиосвязи, которое приведено в табл. 10.2.

Наиболее широко в средствах связи и вещания используются диапазоны начиная от НЧ и заканчивая УВЧ. В диапазонах НЧ, СЧ, ВЧ и ОВЧ работают трансляционные передатчики, средства радиолюбительской и профессиональной связи, средства военной связи. Диапазон УВЧ используется для работы домашних мобильных телефонов, сотовой связи. Диапазон СВЧ отдан средствам космической связи, спутниковым системам телевещания, трансляции, передаче цифровых данных. Диапазон КВЧ — это диапазон работы радарных систем.

Диапазоны СНЧ, ИНЧ и ОНЧ использовать очень сложно, так как для эффективного излучения электромагнитных волн и их дальнего приема необходимы антенны, приближающиеся в своих размерах к длинам этих волн, то есть в десятки, сотни и даже тысячи километров. Мы знаем об этом из ответа Герца инженеру Губеру.

Однако люди научились использовать и эти диапазоны волн, причем совершенно неожиданно. Как вы думаете, насколько хорошо распространяются электромагнитные волны в морской воде, являющейся проводником электрического тока? Распространяются, но очень плохо. Чем выше частота волны, тем сильнее она поглощается морской водой, тем быстрее она затухает. По этой причине конструкторы подводных лодок были вынуждены отказаться от радиосвязи на глубине и придумывать разные хитрые способы с выбрасыванием на поверхность радиобуев.

Но когда обнаружили, что электромагнитные волны очень низких частот слабо поглощаются морской водой, то разработали связь, впрочем, одностороннюю с лодкой в подводном положении. Для того чтобы принять сигнал, лодка разматывает буксируемую антенну длиной в десятки километров и принимает информацию, а затем антенну сматывает.

Радиопередающие средства этой системы связи могут впечатлить любого. По некоторым сведениям, американская антенна связи с подводными лодками занимает площадь целого штата. Она представляет собой сетку с размером ячеек около километра, закопанную в землю. Есть ли такая система связи в России, авторам неизвестно.

Радиовещательные диапазоны также имеют четкое деление, приведенное в табл. 10.3.

Поговорим теперь о распространении радиоволн в пространстве. Красноречивый пример, относящийся к 1930 г., позволит задать множество вопросов.

Эрнст Теодорович Кренкель (1903–1971), российский полярник, радист советских полярных станций и арктических экспедиций, а впоследствии — член редколлегии популярной серии книг «Массовая радиобиблиотека», находясь на Земле Франца-Иосифа, впервые установил на коротких волнах прямую двустороннюю связь с американской экспедицией Р.

Бэрда, зимовавшей на шельфовом леднике Росса (Антарктида). Связь на 20 000 км долго оставалась мировым рекордом дальности. Как удалось Кренкелю связаться с противоположной точкой земного шара, излучая микроскопическую мощность в единицы ватт?

Еще один пример из жизни Кренкеля, о котором рассказывает Б. А. Кремер, относится к гибели теплохода «Челюскин» в арктических льдах и последующей зимовке на льду: «Аварийную станцию Кренкель монтировал в брезентовой палатке. В палатке было так же холодно, как и на улице, и работать было мучительно тяжело, Холодные плоскогубцы, нож, провода обжигали голые руки — не будешь же вести монтаж в рукавицах, и время от времени он вынужден был отрываться от дела, чтобы хоть немного отогреть закоченевшие пальцы в рукавах своей куртки. Первые попытки вступить в связь с какой-либо береговой радиостанцией не принесли успеха. Кренкель отчетливо слышал переговоры между радистами Уэлена и мыса Северного, но никто из них, несмотря на самое тщательное наблюдение за эфиром, маломощный рейдовый передатчик Кренкеля не слышал.

Лишь наутро состоялась первая связь с Уэленом».

А вот пример необычного характера распространения электромагнитных волн, который приводит известный радиолюбитель-популяризатор Владимир Тимофеевич Поляков: «Интересный случай произошел с моим хорошим другом, радиолюбителем и полярником, на дрейфующей станции «Северный полюс». Как-то он захватил на зимовку портативный батарейный приемник «Океан» и, включив УКВ-диапазон, стал слушать передачу радиостанции «Маяк». Лишь спустя некоторое время он сообразил, что на Северном полюсе это невозможно! Тем не менее случай был, и, чем его объяснить, я не знаю».

Чтобы ответить на этот и другие вопросы, давайте познакомимся с основами науки с названием «Распространение радиоволн», рассмотрим строение атмосферы Земли и ее влияние на радиоволны разных диапазонов.

Впервые разницу в дневном и ночном приемах радиосигналов обнаружил Г. Маркони в 1902 г. В этом же году английский физик Оливер Хевисайд (1850–1925) сделал предположение, позже получившее полное экспериментальное подтверждение. Предположение заключалось в следующем: над поверхностью Земли, на высоте 60…2000 км атмосфера находится в особом состоянии. Газы на этой высоте под действием ионизирующего излучения Солнца переходят в ионизированное состояние. Поэтому описываемый слой, названный ионосферой, оказывает большое влияние на распространение радиоволн: она может поглощать радиоволны, может их отражать, а может пропускать беспрепятственно. Иногда ионосферу называют слоем Хевисайда.

Долгое время проводить исследования ионосферы представлялось затруднительным, и только в начале 1960-х гг., благодаря искусственным спутникам Земли, удалось досконально изучить механизмы ионизации. Оказывается, основным источником ионизации выступают ультрафиолетовые лучи Солнца и солнечная радиация. На ионосферу оказывает также влияние излучение удаленных звезд — это 0,1 % — не так много, но если учесть их удаленность…

Ионизирует атмосферу Земли и космическая пыль. К нерегулярным источникам ионизации относятся мощные корпускулярные потоки, которые возникают в периоды солнечной активности, и метеорные потоки.

Впервые серьезные исследования ионосферы провел в 20-х гг. XX в. англичанин Эдуард Виктор Эплтон. Занимаясь вопросами снижения электромагнитных помех во время приема, Эплтон заинтересовался различием ночных и дневных сеансов связи. Причину явления Эплтон назвал замираниями эфира.

Он доказал, что ночью радиоприемник принимает только волны, распространяющиеся вдоль земной поверхности, а ночью добавляются волны, отраженные от ионосферы. Также он впервые показал, что ионосфера не однородна, а состоит из слоев. Один из таких слоев, обозначаемых буквой F, носит название слоя Эплтона.

Каковы наши сегодняшние знания об ионосфере? Взгляните на рис. 10.9.

Рис. 10.9. Строение ионосферы

Сегодня мы абсолютно достоверно знаем, что ионосфера состоит из четырех слоев.

Слой D — самый низкий, он расположен на высоте 60…80 км и существует только в дневные часы. Ночью под действием механизма ионной рекомбинации слой D исчезает. Слой Е, расположенный на высоте 100… 150 км, имеет низкую концентрацию ионов и ночью также практически полностью исчезает. Самый верхний слой, обозначаемый, как F, в дневные часы распадается на два слоя — F1 и F2. Слой F, характеризуемый наибольшей ионной концентрацией, располагается на высоте 300…450 км в летнее время и 250…350 км в зимнее время. Основное влияние на распространение радиоволн оказывает слой F2.

Существует также слой E_s, условно называемый спорадическим. Вообще это образование сложно назвать слоем, так как возникает спорадический слой нерегулярно. Он представляет собой скопление сильно ионизированных облаков, разделенных промежутками слабо ионизированного газа. Чаще всего этот слой возникает летом.

Радиоволны имеют интересную особенность — в неоднородных средах они распространяются не прямолинейно, а несколько изгибаются. Чем больше неоднородность среды, тем и изгибание их больше. Постоянно. преломляясь в ионосфере, электромагнитная волна может занять положение, параллельное земной поверхности, и даже вернуться на Землю. Если же отражающей способности ионосферы недостаточно, волна уходит в космическое пространство.

Чем больше длина волны, тем меньшая степень ионизации требуется для обеспечения нормального отражения радиоволны. И наоборот чем выше частота, тем труднее ионосфере преломлять волну. Свойство электромагнитной волны изгибаться под действием неоднородностей называется рефракцией. Есть еще одно свойство электромагнитной волны, которое называется почти так же — дифракцией, — но имеет совершенно другой физический смысл. Дифракция — это способность волн огибать препятствия (рис. 10.10).

Рис. 10.10. Дифракция радиоволн

Исследования показывают, что дифракционные свойства присущи радиоволнам любой длины, хотя по мере укорочения волны способность к дифракции резко падает.

Итак, в реальных условиях любая электромагнитная волна может попадать из точки излучения в точку приема двумя путями: огибая земную поверхность вследствие неоднородности атмосферы (поверхностная волна) и вследствие отражения от ионосферы (объемная волна), что показано на рис. 10.11.

Рис. 10.11. Распространение поверхностной и объемной волн

Земная поверхность проводит электрический ток, правда, недостаточно хорошо, и часть энергии волны при этом поглощается. Поглощение энергии резко возрастает с частотой. Поэтому длинные и средние волны распространяются поверхностным способом значительно дальше, чем волны более высоких частот. Чем короче волна, тем больше затухает пространственный луч и меньше — объемный.

Электромагнитные волны длинноволнового диапазона (ДВ) могут огибать земную поверхность при распространении на расстояния не более 3000 км. Отражение длинных волн от ионосферы наблюдается главным образом в ночные часы, когда ионная концентрация слабее и поглощение не столь велико. Поэтому дальность распространения длинных волн днем меньше, чем ночью.

К длинноволновому диапазону наиболее близко примыкает диапазон средних волн (СВ), испытывающий отражение от более высоких слоев ионосферы, — от верхних областей слоя Е и от слоя F1. Днем, при высокой ионной концентрации, объемный луч очень сильно поглощается ионосферой и возвращается на Землю настолько ослабленным, что его присутствие практически не сказывается на дальности приема. Поверхностная волна также сильно затухает из-за потерь в земле. Поэтому днем диапазон средних волн мало насыщен станциями. Ночью, когда концентрация слоя Е резко снижается, дальность распространения средних волн значительно увеличивается. Практически это означает, что днем средневолновый приемник может «поймать» только местные станции, а вечером и ночью можно слушать также европейские «голоса» (рис. 10.12).

Рис. 10.12. Разные волны по-разному реагируют на наличие ионосферы

Самым интересным является распространение волн коротковолнового (КВ) диапазона. Поверхностная волна диапазона КВ затухает очень быстро, зато очень медленно затухает объемная волна. Из-за этого волна, многократно отражаясь то от поверхности Земли (рис. 10.13), то от ионосферного слоя F, может вообще «пробежать» вокруг света и вернуться в точку излучения! Вот почему Кренкель смог установить коротковолновую связь с Южным полюсом, находясь на Северном, — в противоположной точке.

Рис. 10.13. Многократное отражение волн КВ диапазона

Коротковолновый диапазон, однако, таит в себе массу «подводных камней», массу неудобств. Во-первых, изменчивость условий распространения, диктуемая земной атмосферой, во-вторых, существование зоны молчания (зоны тени), где поверхностной волны уже нет, а объемная «перепрыгивает» это место (рис. 10.14).

Рис. 10.14. Зона тени при излучении волн КВ диапазона

Чем короче волна, тем шире зона молчания, так как объемный луч слабее преломляется и возвращается на Землю дальше от передатчика.

Еще один недостаток коротких волн — наличие ощутимых замираний, когда неожиданно принимаемая станция начинает звучать тише, а то и вообще пропадает. В диапазоне средних волн, впрочем, замирания не так заметны. Природа замираний — сложение в противофазе нескольких объемных лучей, попадающих в точку приема разными путями. В результате явления, называемого интерференцией, две волны могут скомпенсировать друг друга, получив нулевой результат. До определенной степени борьба с замираниями возможна введением в приемник системы автоматической регулировки усиления (АРУ), идея которой была реализована еще в начале 30-х гг. XX в.

Волны УКВ-диапазона практически не огибают земной поверхности и не испытывают отражения от ионосферы. Другими словами, УКВ волны обладают слабыми дифракционными и рефракционными свойствами в отношении земной поверхности. Поэтому они распространяются только поверхностной волной, в пределах прямой видимости, при сильном поглощении энергии поверхностью Земли. Эта особенность распространения УКВ волн заставляет строить высокие антенны. Беспредельно наращивать мощность передатчика здесь уже не имеет смысла, так как таким методом не обеспечить увеличения «дальнобойности» вещания. Чтобы передавать сигнал за зону прямой видимости, в технике УКВ связи используются ретрансляторы — так называемые радиорелейные линии.

Свойство УКВ волн проникать через ионосферу используется в технике космической связи. УКВ волны диапазона 4… 10 м вообще-то могут испытывать отражение от спорадического слоя E_s и от слоя F2 в годы максимальной солнечной активности, распространяясь на большие расстояния. Однако это явление носит случайный характер и не учитывается при проектировании радиовещательного оборудования. На распространение ультракоротких волн сильное влияние оказывает тропосфера — нижний слой атмосферы на высоте 10… 14 км. Тропосфера обладает большой неоднородностью, вследствие чего дальность распространения УКВ волн может как уменьшиться, так и увеличиться. Тропосферное распространение волн характеризуется высокими показателями рефракции. Еще одно интересное явление, могущее возникнуть в тропосфере, — это сверхрефракция (рис. 10.15).

Рис. 10.15. Явление сверхрефракции УКВ радиоволн

Благодаря ей в тропосфере может возникнуть волновод, напоминающий длинную изогнутую трубу, по которой УКВ волна распространяется на расстояния более 1000 км — в 10 раз больше по сравнению с обычной дальностью распространения. УКВ волны могут также распространяться за счет сверхрефракции при наличии сильной неоднородности в ионосфере, возникающей при прохождении метеорных потоков. Но обольщаться не стоит: сверхрефракция — тоже случайное и нестабильное состояние атмосферы.

Читатели спросят: «Если УКВ радиоволны имеют столько недостатков, не проще было бы отказаться от их использования?» Оказывается, только на УКВ возможна организация многоканальной сотовой связи с большим количеством одновременно работающих каналов. Только на УКВ возможно высококачественное музыкальное стереовещание. Наконец, только в УКВ-диапазоне могут работать современные телевизионные системы.

Волны СВЧ и КВЧ-диапазона отражаются даже от небольших предметов и чаще всего возвращаются в точку приема. На основе данного открытия и строятся все радиолокационные системы (рис. 10.16).

Рис. 10.16. Радиолокационная система

К недостаткам волн этого диапазона следует отнести их поглощение гидрометеорами — дождем, снегом, градом, туманом. Волны диапазона КВЧ вдобавок ко всему поглощаются молекулами кислорода и водяными парами. Чтобы радарные системы работали эффективно, приходится излучать большие мощности, разрабатывать достаточно сложные схемные и конструктивные решения такой аппаратуры. Но сегодня от радаров отказываться рано, поскольку они — основное средство морской и летной навигации, противовоздушной обороны.

Распространение радиоволн — очень серьезная и сложная наука, которой занимаются ученые всего мира. В России этой проблемой занимается институт земного магнетизма и распространения радиоволн (ИЗМИРАН), расположенный в Московской области. Институт регулярно публикует прогнозы распространения радиоволн, предназначенные как для профессиональных связистов и навигаторов, так и для радиолюбителей.

Распространение радиоволн, особенности распространения радиоволн

Самый простой случай — это распространение радиоволн в свободном пространстве. Уже на небольшом расстоянии от радиопередатчика его можно считать точкой. А если так, то фронт радиоволны можно считать сферическим. Если мы проведем мысленно несколько сфер, окружающих радиопередатчик, то ясно, что при отсутствии поглощения энергия, проходящая через сферы, будет оставаться неизменной. Ну, а поверхность сферы пропорциональна квадрату радиуса. Значит, интенсивность волны, т. е. энергия, приходящаяся на единицу площади в единицу времени, будет падать по мере удаления от источника обратно пропорционально квадрату расстояния. Конечно, это важное правило применимо в том случае, если не приняты специальные меры для того, чтобы создать узконаправленный поток радиоволн.

Существуют различные технические приемы для создания направленных радиолучей. Один из способов решения этой задачи состоит в использовании правильной решетки антенн. Антенны должны быть расположены так, чтобы посылаемые ими волны отправлялись в нужном направлении “горб к горбу”. Для этой же цели используются зеркала разной формы. Радиоволны, путешествующие в космосе, будут отклоняться от прямолинейного направления — отражаться, рассеиваться, преломляться — в том случае, если на их пути встретятся препятствия, соизмеримые с длиной волны и даже несколько меньшие. Наибольший интерес представляет для нас поведение волн, идущих вблизи с земной поверхности. В каждом отдельном случаи картина может быть весьма своеобразной, в зависимости от того, какова длина волны. Кардинальную роль играют электрические свойства земли и атмосферы. Если поверхность способна проводить ток, то она “не отпускает” от себя радиоволны. Электрические силовые линии электромагнитного поля подходит к металлу (шире — к любому проводнику) под прямым углом.

Теперь представьте себе, что радиопередача происходит вблизи морской поверхности. Морская вода содержит растворенные соли, т. е. является электролитом. Морская вода — превосходный проводник тока. Поэтому она “держит” радиоволну, заставляет ее двигаться вдоль поверхности моря. Но и равнинная, а так же лесистая местности являются хорошими проводниками для токов не слишком высокой частоты. Иными словами, для длинных волн лес равнина ведут себя как металл. Поэтому длинные волны удерживаются всей земной поверхностью и способна обогнуть земной шар. Кстати говоря, этим способом можно определить скорость радиоволн. Радиотехникам известно, что на то, чтобы обогнуть земной шар, радиоволна затрачивает 0.13 с. А как же горы? Ну что же, для длинных волн они не столь уж высоки, и радиоволна длиной в километр более или менее способна обогнуть гору. Что же касается коротких волн, то возможность дальнего радиоприема на этих волнах обязана наличию над землей ионосферы.

Солнечные лучи обладают способностью разрушать молекулы воздуха в верхних областях атмосферы. Молекулы превращаются в ионы и на расстояниях 100- 300 км от земли образуют несколько заряженных слоев. Так что для коротких волн пространство, в котором движется волна, — это слой диэлектрика, зажатого между двумя проводящими поверхностями. Поскольку равнинная и лесистая поверхности не являются хорошими проводниками для коротких волн , то они не способны их удержать. Короткие волны отправляются в свободное путешествие, но натыкаются на ионосферу, отражающую их, как поверхность металла. Ионизация ионосферы не однородна и, конечно, различна днем и ночью. По этому пути коротких радиоволн могут быть самыми различными. Они могут добраться до вашего радиоприемника и после многократных отражений с Землей и ионосферой. Судьба короткой волны зависит от того, под каким углом попадает она на ионосферный слой. Если этот угол близок к прямому, то отражение не произойдет и волна уйдет в мировое пространство. Но чаще имеет место полное отражение , и волна возвращается на Землю. Для ультракоротких волн ионосфера прозрачна. Поэтому на этих длинах волн возможен радиоприем в пределах прямой видимости или с помощью спутников.

Направляя волну на спутник, мы можем ловить отраженные от него сигналы на огромных расстояниях. Спутники открыли новую эпоху в техники радиосвязи, обеспечив возможность радиоприема и телевизионного приема на ультракоротких волнах. Интересные возможности предоставляет передача на сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волнах. Волны этой длины могут поглощаться атмосферой. Но, оказывается, имеются ”окна”, и, подобрав нужным образом длину волны, можно использовать волны, залезающие в оптический диапазон. Ну, а достоинства этих волн нам известны: в малой волновой интервал можно “вложить” огромное число не перекрывающихся передач.

Характеристики распространения радиоволн

В радиочастотном спектре различные диапазоны частот обладают различными характеристиками распространения , поэтому каждая часть спектра используется для определенных типов приложений. Характеристики распространения радиоволн показывают высокую зависимость от частоты .

В предыдущем материале о радиочастотном спектре мы обсуждали, что часть электромагнитного спектра с самым низким частотным диапазоном содержит радиоволны. Проще говоря, волны, приобретающие самую низкую частоту в электромагнитном спектре, известны как радиоволны .

Радиочастотный спектр

Прежде чем обсуждать характеристики радиоволн, давайте сначала обсудим, как делится полоса радиочастот и их типичные радиослужбы.

1. Очень низкая частота (VLF) : Диапазон от 3 до 30 кГц. Он используется в мировой телеграфии.

2. Низкая частота (НЧ) : Частота находится в пределах от 30 до 300 кГц. Как правило, в этом частотном диапазоне используются навигационные средства, средства дальней связи точка-точка.

3. Средняя частота (MF) : Диапазон частот от 300 до 3000 кГц, используется для целей навигации.

4. Высокочастотный (ВЧ) : Его диапазон составляет от 3 до 30 МГц и находит применение в общей связи между двумя точками, которые находятся на среднем расстоянии друг от друга, а также в коротковолновом вещании на отдаленные места.

5. Очень высокая частота (ОВЧ) : УКВ имеет частоту от 30 до 3000 МГц и подходит для связи на короткие расстояния в случае радара, телефонии и частотной модуляции.

6. Ультравысокая частота (УВЧ) : Диапазон частот от 300 до 3000 МГц, используется в телевидении и в радиолокационных ретрансляционных системах для связи на короткие расстояния.

7. Сверхвысокая частота (СВЧ) : Частота от 3000 до 30 000 МГц называется СВЧ и используется в спутниковой связи, а также в радиолокационных и телевизионных релейных линиях.

8. Чрезвычайно высокая частота (КВЧ) : Диапазон частот составляет от 30 000 до 300 000 МГц и используется в экспериментальных и любительских целях.

Кроме того, существует еще одна полоса частот, известная как полоса чрезвычайно низких частот, сокращенно ELF, которая имеет диапазон частот от 30 до 300 Гц и диапазоны длин волн от 10 000 до 100 км . Этот частотный диапазон используется во всех таких приложениях, где требуется проникновение волн на большие глубины в землю и океаны. Таким образом, показывает пригодность в общении с подводными лодками.

Для изучения волновых характеристик рассмотренные выше полосы частот подразделяются на :

Давайте теперь продолжим и поймем характеристики распространения каждого типа волны в соответствии с их соответствующей полосой частот, которая показана на рисунке выше.

Характеристики волн ОНЧ – Диапазон от 3 до 30 кГц

• В основном используется для распространения земных волн.
• Поскольку это очень низкочастотные волны, то они обладают большой длиной волны и, следовательно, обладают способностью перемещаться на тысячи километров по поверхности земли.
• Обычно они не используются для обычной связи, поскольку их пропускная способность ограничена более низкой несущей частотой волн.
• Волны в этом частотном диапазоне распространяются полностью, отражаясь от нижней части ионосферы и земли. Это означает, что как волна распространяется внутри волновода, так и волны этой частоты распространяются в области ионосферы и земли.
• Приблизительная высота, которой обладают эти волны, лежит между от 70 до 80 км .
• Эти волны имеют низкое затухание на частотах около 20 кГц и распространяются на большие расстояния, но требуют антенн огромных физических размеров.
• В общем случае предлагаемое затухание при распространении ОНЧ составляет 30 дБ/1000 км .
• Метод передачи, применяемый при распространении ОНЧ, довольно неэффективен, но иногда он полезен, поскольку устраняет вариации передачи поверхностных волн.

Характеристики радиоволн, представляющих собой комбинацию ОНЧ и НЧ – Диапазон от 20 до 100 кГц

• В этом диапазоне частот используются как земные, так и пространственные волны. Как правило, на расстоянии до 1000 км используется распространение земной волны, а на расстоянии более 1000 км используется распространение пространственной волны.
• Распространение земной волны обеспечивает относительно низкое затухание. Однако иногда принимаемые сигналы претерпевают сезонные или ежегодные изменения.
• Обычно распространяемые в этом диапазоне сигналы не подвержены замираниям.
• Сигналы, передаваемые в ночные часы, сильнее, чем в дневное время.

Характеристики радиоволн, представляющих собой комбинацию НЧ и СЧ – Диапазон от 100 до 535 кГц

• Диапазон частот в основном соответствует распространению ионосферной волны на умеренном расстоянии. Как и с увеличением частоты, затухание увеличивается в случае земных волн.
• В дневное время при распространении ионосферных волн на таких высоких частотах наблюдается сильное поглощение, что не подходит для дальней связи. Однако проявляет надежность в общении в ночные часы.
• С увеличением частоты дальность распространения земной волны уменьшается.

Характеристики радиоволн, входящих в состав некоторых частей СЧ – Диапазон от 535 до 1600 кГц

• Основное применение этих радиоволн – радиовещание.
• Поскольку распространение пространственной волны в дневное время приводит к полному поглощению сигнала, то в дневное время вещанию способствует распространение земной волны. Однако при распространении земной волны в дневное время мощность сигнала на этих частотах быстро снижается.

Характеристики радиоволн, представляющих собой комбинацию СЧ и полных ВЧ – Диапазон от 1600 кГц до 30 МГц

• Когда диапазон частот превышает 1600 кГц, то только в случае распространения на короткие расстояния используется земная волна. Это связано с тем, что в этом диапазоне частот наблюдается сильное затухание земной волны. Итак, что касается дальней связи, то используется распространение пространственной волны.
• Максимальная используемая частота, т. е. верхний предел для связи, показывает зависимость от расстояния, высоты, а также концентрации электронов в точках отражения в ионосферной области.
• Нижний предел частоты зависит от уровня шума и поглощения на пути.
• Существует оптимальный уровень частоты, который считается на отметке 15% ниже верхнего предела, так как при этой частоте кратковременные колебания значительны.
• Для связи за пределами 1000 км оптимальная частота определяется уровнем F ₂ . При расстоянии от 200 до 1000 км определение максимальной используемой частоты осуществляется уровнем E.

Характеристики ВЧ волн – Диапазон от 3 до 30 МГц

• Дальняя связь на такой высокой частоте облегчается распространением ионосферной волны.
• На этих частотах ионосферное поглощение довольно низкое, следовательно, достижимы даже мили расстояния распространения.
• Когда требуется связь на короткие расстояния, необходимо использовать низкие частоты. В то время как на более низких частотах слой D вносит заметное затухание.

Характеристики волн с частотой выше 30 МГц

• Как правило, выше 30 МГц практически используется распространение космических волн. Только в очень редких случаях частоты выше 30 МГц подвергаются отражению от ионосферы по направлению к Земле.
• Предлагаемая дальность передачи обычно не превышает 100 миль.
• Здесь основной причиной нежелательных помех являются отражения от зданий или других сооружений.
• На этой частоте основные приложения включают передачу телевизионных сигналов, в радарах, в самолетах, в радиорелейных системах. Для ближней радиосвязи к ним относятся двухточечные и мобильные рации и т. д.

Итак, из этого обсуждения становится ясно, что распределение спектра радиоволн классифицирует его различные свойства.

Что такое распространение радиоволн? Основы и режимы распространения волн

Распространение радиоволн Параметр описывает поведение радиоволн, когда они распространяются от одного конца к другому. Иногда его называют просто распространением волны или распространением электромагнитных волн . Передача радиоволн является довольно известным методом, с помощью которого информация может передаваться с одного конца на другой.

Распространение радиоволн используется в радиосвязи для передачи сигналов на короткие или большие расстояния. Наряду с этим он также находит применение в радиолокации, пеленгации, дистанционном управлении машинами и т. д.

1. Введение в радиоволны
2. Распространение радиоволн
3. режимов
   • Грунтовая волна
   • Небесная волна
   • Космическая волна
   • Тропосферное рассеяние

Введение в радиоволны

Мы обсуждали антенны в нашем предыдущем материале, где мы видели, что высокочастотный ток в терминале антенны порождает электромагнитную энергию, которая существует в форме волн. Эти волны проявляют свойства света. Радиоволны в космосе колеблются в свободном пространстве со скоростью света, т. е. 3*10 ⁸ м/с . Это электромагнитные волны, состоящие из компонентов электрического и магнитного полей. Он проходной в природе, т. е. компоненты колеблются перпендикулярно направлению движения .

Здесь следует отметить, что начальная поляризация антенны зависит от ее ориентации относительно земли. Антенна, расположенная горизонтально и вертикально, будет производить волны с горизонтальной и вертикальной поляризацией соответственно. Считается, что в общем случае все волны сохраняют тип реально создаваемой поляризации и при своем распространении. Во время распространения волны сталкиваются с такими явлениями, как отражение, преломление, дифракция на пути.

Что такое распространение радиоволн?

Распространение радиоволн связано с явлениями, происходящими при прохождении волны между передатчиком и приемником. Однако волна может распространяться между передатчиком и приемником двумя способами:

• Распространяясь в свободном пространстве
• Путем направления в среде, такой как коаксиальный кабель или волновод.

Если волне разрешено распространяться в свободном пространстве, то во время распространения доступный спектр должен быть надлежащим образом разделен между существующими пользователями. Это включает в себя предоставление услуг устройствам, которые находятся в непосредственной географической близости друг от друга. Кроме того, в этом случае велика вероятность возникновения помех между устройствами, работающими примерно на одной частоте.

В случае, когда распространение происходит через управляемую среду, сигнал подвергается меньшему затуханию с другими пользователями. Также в этом случае пользователь получает доступ ко всему диапазону частотной полосы. Когда волна распространяется через земную среду, то способ распространения волны зависит не только от свойств волн, но и от условий окружающей среды. Влияние среды, в которой распространяются волны, имеет большое значение, поскольку оно учитывает промежуточные объекты на пути.
Среда, через которую распространяются радиоволны, включает неоднородности, такие как препятствия или изменения параметров среды. Для практического распространения радиоволн очень важны земля и объекты, находящиеся в ее окружении.

Необходимо правильно понимать поведение беспроводного канала, если нам нужно разработать эффективную систему радиосвязи независимо от расстояния передачи. Уравнение Максвелла адекватно описывает поведение радиоволн. Генрих Рудольф Герц также провел несколько экспериментов, которые подтвердили теорию, предложенную Максвеллом.

Из уравнения Максвелла можно составить представление об основах объяснения распространения волн в пространстве. Наряду с этим он также говорит о том, какую природу имеют электрические и магнитные поля внутри проводящего и изолирующего волновода.

Когда передающая антенна излучает сигнал, то, как правило, он распространяется по довольно большой области, поэтому на приемной антенне принимаемая мощность сравнительно мала по сравнению с фактически излучаемой. Это соответствует потерям передачи (почти порядка 10 ¹⁵ — 10 ²⁰ ) между двумя антеннами. И из этой потери можно сделать вывод, полезен ли полученный сигнал или нет.

Способы распространения радиоволн

До сих пор у нас сложилось представление, что когда волна излучается с одного конца, она достигает другого конца, распространяясь в свободном пространстве или любой среде. Путь или манера, в которой распространяются радиоволны, классифицируют различные способы распространения. Они рассматриваются как режимы распространения радиоволн. Однако эта классификация также связана с такими параметрами, как рабочая частота, существующий диапазон между двумя антеннами и т. д.

Давайте теперь обсудим каждый тип распространения радиоволн отдельно.

Распространение земных волн : Также известно как распространение поверхностных волн, при котором радиоволны передаются, проходя через полупроводящую поверхность земли. Здесь передача волн происходит в области, близкой к поверхности земли, заходящей за горизонт. Этот способ распространения требует вертикально поляризованных волн, поскольку в этом случае горизонтально поляризованные волны будут поглощаться землей.

Здесь волны следуют кривизне земли. В основном он подходит для передачи очень низких (VLF) или низкочастотных (LF) сигналов.

• Диапазон частот: от 30 кГц до 3 МГц
• Расстояние передачи: от 100 до 1000 км

За пределами частоты 3 МГц и расстояния 1000 км начинается затухание передаваемого сигнала землей.

Распространение небесных волн : Этот тип распространения волн использует верхний слой атмосферы, т. е. ионосферу, для передачи радиоволн. Здесь сигналы, излучаемые антенной, отклоняются назад к земле, преломляясь от ионосферного слоя. Этот верхний слой атмосферы ионизирован, что означает, что в нем существуют электрические заряды, и причиной этого является ультрафиолетовое излучение Солнца. Ионосфера начинается на высоте 60 км над поверхностью земли и простирается вверх примерно до 400 км. Он подходит для высокочастотного (ВЧ) распространения.

• Диапазон частот : от 3 МГц до 30 МГц

Электромагнитные волны, передаваемые с одного конца земной поверхности, достигают другого конца, когда происходит ПВО в ионосферном слое атмосферы. Таким образом, он подходит для очень дальней радиосвязи.

Распространение космических волн : Это также называется прямым распространением волн и обеспечивает связь на линии прямой видимости. Здесь сигнал от передающей антенны распространяется по прямой к приемной антенне. Он не повторяет кривизну Земли и не преломляется ионосферным слоем атмосферы, а распространяется горизонтально от одного конца к другому.

Этот способ распространения имеет место в тропосферной области земной атмосферы, которая присутствует на расстоянии до 16 км от земли. Он имеет в основном 2 компонента: прямой компонент и косвенный компонент. На приведенном выше рисунке ясно показано, что одна волна напрямую передается от одной антенны к другой, в то время как в то же время волна отражается от земли и достигает приемной антенны.

Волна, достигающая приемной антенны после отражения, равна 180⁰ не совпадает по фазе с прямой волной , поскольку две волны достигают приемной антенны по разным путям. На приемной антенне сила сигнала получается путем векторного сложения прямых и непрямых волн. Иногда его называют тропосферным распространением.

Показывает пригодность для передачи сигналов с частотой более 30 МГц. Такими сигналами обычно являются ОВЧ, УВЧ и микроволновые сигналы. В радиосвязи расстояние передачи прямых волн связано с высотой передающей и приемной антенн. Расстояние от передающей антенны до горизонта определяется как:

:h _t соответствует высоте передающей антенны

Чтобы получить практическое расстояние D для прямой передачи, мы также должны учитывать высоту приемной антенны. Итак,

h _r соответствует высоте приемной антенны.

Здесь следует отметить, что высота обеих антенн указана в футах.

Тропосферное рассеянное распространение : Это иногда называют прямым рассеянным распространением или рассеянным распространением, и оно подходит для ОВЧ, УВЧ и микроволн.