Процесс образования радиоволн
Введение
Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.).
Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.
Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны (в метрах) рассчитывается по формуле: или примерно где ¦ – частота электромагнитного излучения в МГц.
частоте 1 МГц соответствует длина волны ок. 300 м. С увеличением частоты длина волны уменьшается, с уменьшением – догадайтесь сами. В дальнейшем мы убедимся, что знание длины волны очень важно при выборе антенны для радиосистемы, так как от нее напрямую зависит длина антенны. Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волны встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от поверхности. Кстати, на этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации. Еще одним полезным свойством электромагнитных волн (впрочем, как и всяких других волн) является их способность огибать тела на своем пути. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры тела меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить – вспомните американский самолет-невидимку «Stealth».
Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него. По научному это звучит так: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него. Например, поток энергии электромагнитного излучения Солнца на поверхность Земли достигает 1 киловатта на квадратный метр, а поток энергии средневолновой вещательной радиостанции – всего тысячные и даже миллионные доли ватта на квадратный метр.
Распределение спектра
Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимают область, или более научно – спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой. Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются. Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны:
| Диапазон частот | Наименование диапазона (сокращенное наименование) | Наименование диапазона волн | Длина волны |
| 3–30 кГц | Очень низкие частоты (ОНЧ) | Мириаметровые | 100–10 км |
| 30–300 кГц | Низкие частоты (НЧ) | Километровые | 10–1 км |
| 300–3000 кГц | Средние частоты (СЧ) | Гектометровые | 1–0.1 км |
| 3–30 МГц | Высокие частоты (ВЧ) | Декаметровые | 100–10 м |
| 30–300 МГц | Очень высокие частоты (ОВЧ) | Метровые | 10–1 м |
| 300–3000 МГц | Ультра высокие частоты (УВЧ) | Дециметровые | 1–0.1 м |
| 3–30 ГГц | Сверхвысокие частоты (СВЧ) | Сантиметровые | 10–1 см |
| 30–300 ГГц | Крайне высокие частоты (КВЧ) | Миллиметровые | 10–1 мм |
| 300–3000 ГГц | Гипервысокие частоты (ГВЧ) | Децимиллиметровые | 1–0.1 мм |
Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты.
Пример распределения спектра между различными службами [1].
Эта разбивка довольно запутана, поэтому многие службы используют свою «внутреннюю» терминологию. Обычно при обозначении диапазонов выделенных для наземной подвижной связи используются следующие названия:
| Термин | Диапазон частот | Пояснения |
| Коротковолновый диапазон (КВ) | 2–30 МГц | Из-за особенностей распространения в основном применяется для дальней связи. |
| «Си-Би» | 25.6–30.1 МГц | Гражданский диапазон, в котором могут пользоваться связью частные лица. В разных странах на этом участке выделено от 40 до 80 фиксированных частот (каналов). |
| «Low Band» | 33–50 МГц | Диапазон подвижной наземной связи. Непонятно почему, но в русском языке не нашлось термина, определяющего данный диапазон. |
| УКВ | 136–174 МГц | Наиболее распространенный диапазон подвижной наземной связи. |
| ДЦВ | 400–512 МГц | Диапазон подвижной наземной связи. Иногда не выделяют этот участок в отдельный диапазон, а говорят УКВ, подразумевая полосу частот от 136 до 512 МГц. |
| «800 МГц» | 806–825 и 851–870 МГц | Традиционный «американский» диапазон; широко используется подвижной связью в США. У нас не получил особого распространения. |
Не надо путать официальные наименования диапазонов частот с названиями участков, выделенных для различных служб. Стоит отметить, что основные мировые производители оборудования для подвижной наземной связи выпускают модели, рассчитанные на работу в пределах именно этих участков.
В дальнейшем мы будем говорить о свойствах радиоволн применительно к их использованию в наземной подвижной радиосвязи.
В системах передачи информации с помощью радиотехнических и радиоэлектронных приборов различают три звена: передающее устройство, среда, в которой распространяются радиоволны, и приемное устройство.
Понятно, что если радиоэлектронная система включает в свой состав тракт распространения, то безупречная и надежная работа системы в целом в значительной мере определяется также условиями распространения радиоволн на участке, разделяющем передающую и приемную антенны.
В процессе распространения волны подвергаются ослаблению и искажению. Кроме того, на приемную антенну воздействуют разного рода помехи как естественного, так и искусственного происхождения. Для обеспечения надежной передачи информации необходимо, чтобы поле сигнала, во-первых, в определенное число раз превышало уровень помех (в зависимости от условий работы канала связи и требований к надежности). Во-вторых, сигналы не должны подвергаться чрезмерным искажениям, неизбежно возникающим в процессе распространения. Искажения должны находиться в пределах допустимых норм.
Передача информации может нарушиться либо при значительном снижении уровня сигнала (который при этом уже не будет выделяться на фоне помех), либо при сильном искажении формы сигнала (его растягивании, дроблении и т. д.).
Свободно распространяющиеся радиоволны находят в современной технике обширные и многообразные применения, а именно: в системах связи, в радиолокационных устройствах, телеметрии, системах управления, в радионавигации и во многих других случаях. Их основное преимущество заключается в том, что когда связь устанавливается между фиксированными (наземными) пунктами, то нет необходимости сооружать между ними, соединительную или направляющую систему. Радиоволны являются единственным и естественным средством осуществления связи с передвигающимися объектами (автомобилями, кораблями, самолетами, космическими кораблями).
Процесс образования радиоволн .
Радиоволнами условно называют электромагнитные волны в диапазоне от 100000 м до примерно 0,1 мм, что, применяя известное соотношение между длиной волны и частотой соответствует интервалу частот от 3000 гц до 3•1012 гц.
Используемые в технике связи волны принято подразделять по десятичному признаку на диапазоны: сверхдлинных волн (СДВ) от 105 до 104 м, длинных волн (ДВ) от 104 до 103 м, средних волн (СВ) от 103 до 100 м, коротких волн (КВ) от 100 до 10 м, метровых волн (МВ) от 10 до 1 м, дециметровых волн (ДМВ) от 1 до 0,1 м, сантиметровых волн (СМВ) от 10 до 1 см, миллиметровых волн (ММВ) от 1 см до 1 мм и субмиллиметровых волн (СММВ) от 1 до 0,1 мм. Волны короче 0,1 мм относят к диапазону оптических волн.
Диапазоны МВ, ДМВ и СМВ часто называют ультракороткими волнами. Сверхвысокими частотами называют частоты диапазонов ДМВ и СМВ.
Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве составляет 3 • 108 м/с.
Дифракция радиоволн - явление, состоящее в том, что радиоволны способны огибать препятствия. Дифракция проявляется тем сильнее, чем больше длина волны по сравнению с размерами препятствий. Например, километровые и гектометровые волны огибают горы, холмы, большие городские здания и т. д. В то же время волны микроволновых диапазонов не огибают эти препятствия, образуя непосредственно за ними зоны радиотени. Благодаря явлению дифракции волны огибают неровности земной поверхности, распространяясь в виде поверхностной (земной) волны на расстояния, превышающие дальность прямой видимости.
Рефракция радиоволн - явление преломления радиоволн в атмосфере вследствие уменьшения плотности воздуха с высотой, приводящее к увеличению дальности распространения поверхностной радиоволны. При среднем (нормальном) состоянии атмосферы (температура воздуха на уровне моря 15°С, снижение температуры с высотой-0,65°С на 100 м, уменьшение давления - дальность распространения поверхностной радиоволны увеличивается на 15 ... 20% по сравнению с дальностью геометрической видимости (случай нормальной атмосферной рефракции). При некоторых особых состояниях атмосферы, когда плотность воздуха уменьшается с высотой быстрее, чем в нормальной атмосфере, может образоваться атмосферный волновод (суперрефракция), по которому поверхностная волна распространяется в несколько раз дальше, чем при нормальной рефракции.
Интерференция радиоволн - явление взаимного наложения радиоволн, приходящих в точку приема по разным путям. Если амплитуды радиоволн, приходящих по двум путям различной длины, одинаковы, то при совпадающих фазах результирующее поле удваивается, при противоположных фазах равно нулю.[1]
С явлением интерференции радиоволн связаны замирания сигнала, а также появление повторных контуров на телевизионном изображении.
Радиоволны принято также классифицировать по способу распространения в свободном пространстве и вокруг земного шара.
Волны, распространяющиеся в свободном пространстве (космосе) от одного космического объекта к другому, носят название прямых или свободно распространяющихся. К этой же категории можно в некоторых случаях отнести волны, распространяющиеся между наземной станцией и космическим объектом, а именно в те случаях, когда влиянием относительно тонкого слоя атмосферы можно пренебречь.[2]
Радиосвязь может осуществляться с помощью поверхностных и пространственных радиоволн.
Волны, распространяющиеся вдоль сферической поверхности Земли и частично огибающие ее вследствие явления дифракции, получили название земных или поверхностных. Способность волн огибать встречаемые препятствия и дифрагировать вокруг них, определяется соотношением между длиной волны и размерами препятствий. Чем ниже частота сигнала, тем больше дальность распространения поверхностной волны. Чем короче волны, тем слабее проявляется дифракция. По этой причине УКВ очень слабо дифрагирует вокруг поверхности земного шара и дальность их распространения в первом приближении определяется расстоянием прямой видимости.
Ультракороткие волны, распространяющиеся за счет рассеяния на неоднородностях тропосферы на расстояние до 1000 км, получили название тропосферных.
Наконец, волны длиннее 10 м, распространяющиеся вокруг земного шара на сколь угодно большие расстояния за счет однократного и многократного отражения от ионосферы (т. е. ионизированной оболочки атмосферы), называются ионосферными или пространственными.
Слои ионосферы: слой D с наиболее слабой электронной концентрацией, высота 60 ... 80 км (существует только днем), слой Е со средней электронной концентрацией, высота 90 ... 150 км, слой F с наиболее высокой электронной концентрацией, высота 190 ... 500 км; летом расщепляется на два слоя с различной электронной концентрацией: F1 (высота 190 ... 230 км) и F2 (высота 230 ... 500 км).