¿Qué ondas se utilizan para qué? Alcance de las ondas de radio y su propagación. Propiedades de propagación de ondas electromagnéticas.

Si Maxwell no hubiera predicho la existencia de las ondas de radio y Hertz no las hubiera descubierto en la práctica, nuestra realidad habría sido completamente diferente. No pudimos intercambiar información rápidamente usando radios y teléfonos móviles, explorar planetas y estrellas distantes usando radiotelescopios u observar aviones, barcos y otros objetos usando radares.

¿Cómo nos ayudan las ondas de radio con esto?

Fuentes de ondas de radio

Las fuentes de ondas de radio en la naturaleza son los relámpagos: descargas de chispas eléctricas gigantes en la atmósfera, cuya intensidad de corriente puede alcanzar los 300 mil amperios y el voltaje puede alcanzar los mil millones de voltios. Vemos relámpagos durante una tormenta. Por cierto, surgen no sólo en la Tierra. Se han detectado relámpagos en Venus, Saturno, Júpiter, Urano y otros planetas.

Casi todos los cuerpos cósmicos (estrellas, planetas, asteroides, cometas, etc.) son también fuentes naturales de ondas de radio.

En radiodifusión, radares, satélites de comunicaciones, comunicaciones fijas y móviles y diversos sistemas de navegación se utilizan ondas de radio obtenidas artificialmente. La fuente de tales ondas son los generadores de vibraciones electromagnéticas de alta frecuencia, cuya energía se transmite al espacio mediante antenas transmisoras.

Propiedades de las ondas de radio.

Las ondas de radio son ondas electromagnéticas cuya frecuencia oscila entre 3 kHz y 300 GHz y una longitud de 100 km a 1 mm, respectivamente. Cuando se propagan en el medio ambiente, obedecen ciertas leyes. Al pasar de un medio a otro se observa reflexión y refracción. También les son inherentes los fenómenos de difracción e interferencia.

La difracción o curvatura ocurre si hay obstáculos en el camino de las ondas de radio que son más pequeños que la longitud de onda de la onda de radio. Si sus tamaños son mayores, entonces se reflejan ondas de radio. Los obstáculos pueden ser de origen artificial (estructuras) o natural (árboles, nubes).

Las ondas de radio también se reflejan desde la superficie terrestre. Además, la superficie del océano los refleja aproximadamente un 50% más fuerte que la tierra.

Si el obstáculo es un conductor de corriente eléctrica, las ondas de radio le ceden una parte de su energía y se crea una corriente eléctrica en el conductor. Parte de la energía se gasta en excitar corrientes eléctricas en la superficie de la Tierra. Además, las ondas de radio irradian desde la antena en círculos en diferentes direcciones, como las ondas de un guijarro arrojado al agua. Por este motivo, las ondas de radio pierden energía y se atenúan con el tiempo. Y cuanto más lejos esté el receptor de ondas de radio de la fuente, más débil será la señal que le llegue.

La interferencia o superposición hace que las ondas de radio se fortalezcan o debiliten entre sí.

Las ondas de radio viajan en el espacio a una velocidad igual a la velocidad de la luz (por cierto, la luz también es una onda electromagnética).

Como cualquier onda electromagnética, las ondas de radio se caracterizan por su longitud de onda y frecuencia. La frecuencia está relacionada con la longitud de onda de la siguiente manera:

f = C/ λ ,

Dónde F – frecuencia de onda;

λ - longitud de onda;

C - velocidad de la luz.

Como puede ver, cuanto más larga es la longitud de onda, menor es su frecuencia.

Las ondas de radio se dividen en los siguientes rangos: ondas ultralargas, largas, medias, cortas, ultracortas, milimétricas y decimilimétricas.

Propagación de radio

Las ondas de radio de diferentes longitudes no viajan igual en el espacio.

Ondas ultralargas(longitudes de onda de 10 km o más) se desvían fácilmente alrededor de grandes obstáculos cerca de la superficie de la Tierra y son absorbidas muy débilmente por ésta, por lo que pierden menos energía que otras ondas de radio. En consecuencia, también se desvanecen mucho más lentamente. Por lo tanto, en el espacio estas ondas se propagan a distancias de hasta varios miles de kilómetros. La profundidad de su penetración en el medio ambiente es muy grande, y se utilizan para la comunicación con submarinos ubicados a grandes profundidades, así como para diversos estudios en geología, arqueología e ingeniería. La capacidad de las ondas ultralargas para rodear fácilmente la Tierra permite estudiar la atmósfera terrestre con su ayuda.

Largo, o kilómetro, ondas(de 1 km a 10 km, frecuencia 300 kHz - 30 kHz) también están sujetos a difracción y, por lo tanto, pueden propagarse a distancias de hasta 2000 km.

Promedio, o hectómetro, ondas(de 100 ma 1 km, frecuencia 3000 kHz - 300 kHz) se doblan peor alrededor de los obstáculos en la superficie de la Tierra, se absorben con más fuerza y, por lo tanto, se atenúan mucho más rápido. Se extienden a distancias de hasta 1.000 km.

Ondas cortas comportarse de manera diferente. Si sintonizamos la radio de un automóvil en una ciudad con una onda de radio corta y comenzamos a movernos, a medida que nos alejamos de la ciudad, la recepción de la señal de radio empeorará y, a una distancia de unos 250 km, se detendrá por completo. Sin embargo, después de un tiempo se reanudará la transmisión de radio. ¿Por qué está pasando esto?

El caso es que las ondas de radio de corto alcance (de 10 ma 100 m, frecuencia 30 MHz - 3 MHz) en la superficie de la Tierra se atenúan muy rápidamente. Sin embargo, las ondas que forman un gran ángulo con respecto al horizonte se reflejan en la capa superior de la atmósfera, la ionosfera, y regresan, dejando atrás cientos de kilómetros de "zona muerta". Luego, estas ondas se reflejan desde la superficie terrestre y nuevamente se dirigen a la ionosfera. Reflejados repetidamente, son capaces de dar la vuelta al mundo varias veces. Cuanto más corta es la onda, mayor es el ángulo de reflexión de la ionosfera. Pero por la noche la ionosfera pierde su reflectividad, por lo que la comunicación por ondas cortas es peor en la oscuridad.

A ondas ultracortas(longitudes de onda de metros, decímetros y centímetros inferiores a 10 m) no pueden reflejarse desde la ionosfera. Extendiéndose en línea recta, lo penetran y suben. Esta propiedad se utiliza para determinar las coordenadas de objetos aéreos: aviones, bandadas de pájaros, el nivel y la densidad de las nubes, etc. Pero las ondas ultracortas tampoco pueden doblarse alrededor de la superficie terrestre. Debido a que se propagan dentro de la línea de visión, se utilizan para comunicaciones por radio a una distancia de 150 a 300 km.

En sus propiedades, las ondas ultracortas se acercan a las ondas luminosas. Pero las ondas de luz se pueden recoger en un haz y dirigir al lugar deseado. Así funcionan un foco y una linterna. Lo mismo se aplica a las ondas ultracortas. Se recogen mediante espejos de antena especiales y se envía un haz estrecho en la dirección deseada, lo cual es especialmente importante, por ejemplo, en comunicaciones por radar o por satélite.

ondas milimétricas(de 1 cm a 1 mm), las ondas más cortas en el rango de radio, similares a las ondas ultracortas. También se propagan en línea recta. Pero un serio obstáculo para ellos son las precipitaciones, la niebla y las nubes. Además de en la radioastronomía y las comunicaciones por radioenlaces de alta velocidad, han encontrado aplicación en la tecnología de microondas utilizada en la medicina y en la vida cotidiana.

submilimétrico, u ondas decimilimétricas (de 1 mm a 0,1 mm), según la clasificación internacional, también pertenecen a las ondas de radio. En condiciones naturales casi no existen. Ocupan una proporción insignificante de la energía del espectro solar. No llegan a la superficie terrestre, ya que son absorbidos por el vapor de agua y las moléculas de oxígeno de la atmósfera. Creados por fuentes artificiales, se utilizan en las comunicaciones espaciales, para estudiar las atmósferas de la Tierra y otros planetas. El alto grado de seguridad de estas ondas para el cuerpo humano permite su uso en medicina para escanear órganos.

Las ondas submilimétricas se denominan "ondas del futuro". Es muy posible que brinden a los científicos la oportunidad de estudiar la estructura de las moléculas de sustancias de una manera completamente nueva y, en el futuro, tal vez incluso les permitan controlar los procesos moleculares.

Como puede ver, cada rango de ondas de radio se utiliza donde las características de su propagación se aprovechan al máximo.

PROPAGACIÓN DE ONDAS DE RADIO- el proceso de transmisión en el espacio el-magnético. oscilaciones de radiofrecuencia (ver Ondas de radio).En naturaleza. condiciones de R. r. ocurre en diferentes entornos, por ejemplo en la atmósfera, cósmico plasma, en la capa superficial de la Tierra.

Patrones generales propagación de ondas de radio. R. velocidad en el espacio libre en el vacío es igual a c. La energía total transferida por una onda de radio permanece constante y la densidad del flujo de energía disminuye al aumentar la distancia. r de la fuente es inversamente proporcional r 2. r.r. en otros medios ocurre con una velocidad de fase diferente de Con, y en un ambiente de equilibrio va acompañado de la absorción de el-magn. energía. Ambos efectos se explican por la excitación de vibraciones de electrones e iones del medio bajo la influencia de la electricidad. campos de ondas. Si la intensidad del campo mi armonioso onda es pequeña en comparación con la intensidad del campo que actúa sobre las cargas en el propio medio (por ejemplo, sobre un electrón en un átomo), entonces las oscilaciones también ocurren armoniosamente. ley con frecuencia w de la onda que llega. Los electrones oscilantes emiten ondas de radio secundarias de la misma frecuencia, pero con diferentes amplitudes y fases. Como resultado de la adición de ondas secundarias a la entrante, se forma una onda resultante con una nueva amplitud y fase. El cambio de fase entre las ondas primarias y reemitidas conduce a un cambio en la velocidad de fase. Las pérdidas de energía durante la interacción de una onda con los átomos son la causa. absorción de ondas de radio.

La amplitud de la onda disminuye con la distancia según la ley y la fase de la onda cambia según la ley y = w t- (c/s) n°, Dónde X- tasa de absorción, norte - índice de refracción; norte Y X depende de constante dieléctrica e del medio, su conductividad s y frecuencia de onda w:

dónde. tangente de pérdida. Velocidad de fase tu = Con/ norte, coeficiente absorción El ambiente se comporta como dieléctrico, si y como conductor, si en el primer caso en el segundo - y la onda se atenúa a distancias - espesor de la capa de piel (ver. Efecto en la piel). En el entorno e c s son funciones de frecuencia (ver. Dispersión de ondas). El tipo de dependencia de la frecuencia de e y s está determinado por la estructura del medio. La dispersión de las ondas de radio es especialmente significativa en los casos en que la frecuencia de la onda se acerca a sus propiedades características. frecuencias del medio (por ejemplo, durante R. r. en plasma ionosférico y cósmico, ver más abajo).

Cuando R. r. En entornos que no contienen electrones libres (la troposfera, el espesor de la Tierra), se produce un desplazamiento de los electrones ligados en los átomos y moléculas del medio en la dirección opuesta al campo de ondas. mi , donde norte > 1, tu F< Con. En un plasma, el campo ondulatorio provoca un desplazamiento de electrones libres en la dirección mi , donde norte < 1 и tuФ > с, es decir velocidad de fase monocromática. las ondas pueden ser más pequeñas o más grandes Con. Sin embargo, para transmitir mediante ondas de radio a-l. información (energía), es necesario tener una señal de radio de tiempo limitado, que sea un cierto conjunto de armonía. ondas La composición espectral de la señal depende de su duración y forma. La señal de radio viaja a velocidad de grupo. tu gramo. En cualquier entorno tu gramo< Con.

En medios homogéneos, las ondas de radio se propagan en línea recta, como los rayos de luz. r. proceso en este caso obedece las leyes óptica geométrica. Sin embargo, los entornos reales son heterogéneos. En ellos PAG, y por lo tanto tu F son diferentes en diferentes partes del medio ambiente, lo que conduce a refracción de ondas de radio. En el caso de inhomogeneidades suaves (en escala l), la aproximación geom es válida. óptica. Si el índice de refracción depende sólo de la altura. h, medido desde la superficie esférica de la Tierra, entonces la condición se cumple a lo largo de la trayectoria del rayo

La relación (2) es La ley de Snell refracción para un medio con capas esféricas. Aquí R 0 es el radio de la Tierra, f es el ángulo de inclinación del haz con respecto a la vertical en un punto arbitrario de la trayectoria. Si en lugar de válido. índice de refracción ha entrar en el índice de refracción reducido

entonces la ley de refracción (2) tomará la forma

La relación (4) se llama Ley de refracción de Snell para un medio de capas planas.

Si norte disminuye al aumentar h, luego, como resultado de la refracción, el rayo, a medida que se propaga, se desvía de la vertical y a una cierta altura. mmm se vuelve paralelo al plano horizontal y luego se extiende hacia abajo (Fig. 1, a). Máx. altura mmm, mediante el cual el rayo puede penetrar en un medio plano no homogéneo, depende del ángulo de incidencia f 0 y se determina a partir de la condición

Arroz. 1. A- refracción de ondas de radio en un medio de capas planas con grad n< 0; б - зависимость квадрата амплитуды напряжённости электрического поля радиоволны от высоты h.

a la región h > mmm los rayos no penetran y, según la aproximación geométrica. óptica, el campo de onda en esta región debería ser igual a 0. De hecho, cerca del plano h = mmm el campo de ondas aumenta, y cuando h > mmm disminuye exponencialmente (Fig.1, b). Violación de las leyes geográficas. óptica en R. r. también relacionado con difracción de ondas Debido al corte, las ondas de radio pueden penetrar en la zona geométrica. oscuridad. En el límite de la región de Geom. En la sombra se forma una compleja distribución de campos de ondas. Las ondas de radio surgen cuando hay obstáculos en su camino (cuerpos opacos o translúcidos) y es especialmente significativo en los casos en que el tamaño de los obstáculos es comparable a l.

Si R.r. ocurre cerca de un límite definido (en una escala l) entre dos ambientes con diferentes. eléctrico propiedades (por ejemplo, la atmósfera, la superficie de la Tierra o la troposfera, el límite inferior de la ionosfera para ondas suficientemente largas), luego, cuando las ondas de radio caen en un límite definido, se forman ondas de radio reflejadas y refractadas (transmitidas). Si la reflexión se produce desde el límite de un medio conductor (por ejemplo, desde la capa superficial de la Tierra), entonces la profundidad de penetración en él está determinada por el grosor de la capa de piel.

En ambientes heterogéneos es posible propagación de ondas guiadas, con lo que el flujo de energía se localiza entre lo definido. superficies, por lo que los campos de ondas entre ellos disminuyen con la distancia más lentamente que en un medio homogéneo (guía de ondas atm.). En medios con faltas de homogeneidad suaves, la localización se asocia con la refracción y, en el caso de límites definidos, con la reflexión.

En un medio que contiene heterogeneidades locales aleatorias, las ondas secundarias se emiten aleatoriamente en diferentes direcciones. direcciones. Las ondas dispersas arrastran parcialmente la energía de la onda original, lo que conduce a su debilitamiento. Al dispersarse por faltas de homogeneidad de tamaño. yo l (la llamada dispersión de Rayleigh; ver Dispersión de la luz) las ondas dispersas se propagan casi isotrópicamente. En el caso de dispersión por faltas de homogeneidad transparentes a gran escala, las ondas dispersadas se propagan en direcciones cercanas a la onda original. ¡Cuando yo! yo se produce una fuerte dispersión resonante.

La influencia de la superficie terrestre sobre la propagación de las ondas de radio se define como eléctrica. los parámetros e y s de los suelos y espacios acuáticos que forman la corteza terrestre, y la estructura de la superficie terrestre, es decir, su curvatura y heterogeneidad. R. r. es un proceso que cubre una gran área de espacio, pero la mayor parte. criaturas papel en R. r. juega una región limitada por una superficie en forma de elipsoide de revolución, en cuyos focos A Y B en la distancia r donde se encuentran el transmisor y el receptor (ruta de radio, Fig. 2). El eje mayor del elipsoide es igual al eje menor determinado por las dimensiones del primer zona de fresnel y El ancho del camino disminuye a medida que l disminuye. si las alturas z 1 y z 2, en el que las antenas del transmisor y del receptor están ubicadas sobre la superficie de la Tierra, son grandes en comparación con l, entonces el elipsoide no toca la superficie de la Tierra y no afecta el R. R. (Figura 2, A). Cuando ambos o uno de los puntos finales de la trayectoria de radio disminuyen (o la longitud de onda aumenta), la superficie de la Tierra cruza el elipsoide. En este caso, en R.r. tener una influencia eléctrica. parámetros del área de la superficie terrestre limitada por una elipse de sección transversal extendida a lo largo de la ruta. Si las condiciones se mantienen en el punto de recepción, esto ocurre entre las ondas directas y reflejadas (ver. Interferencia de ondas).La amplitud y fase de la onda reflejada se determinan teniendo en cuenta Fórmulas de Fresnel para coeficiente reflexiones. Los máximos y mínimos de interferencia determinan la estructura de los lóbulos del campo, que es característica de las ondas de radio decámétricas y más cortas. Si z 1/litro< 1 и z 2/l< 1, то радиотрасса выделяет участок поверхности Земли, ограниченный эллипсом с осями r+ l(p/4) y

Arroz. 2. Una región elipsoidal del espacio, esencial para la propagación de ondas de radio (trayectoria de radio); A- emisor; EN- receptor.

Reducir la intensidad del campo y, por tanto, el flujo de energía transferida por una onda de radio a lo largo de la superficie de la Tierra ( onda terrestre), se debe a la conductividad superficial en esta región. En P.p. Aparece un flujo de energía a lo largo de la superficie conductora, dirigido hacia el medio conductor y decayendo rápidamente a medida que se propaga a través de él. La profundidad de penetración de las ondas de radio en la corteza terrestre está determinada por el grosor de la capa de piel. y por lo tanto aumenta al aumentar la longitud de onda. Por lo tanto, las ondas de radio largas y ultralargas se utilizan para las comunicaciones por radio subterráneas y submarinas.

Arroz. 3. Alcance de la línea de visión r limitado por la convexidad de la superficie terrestre; R 0 - radio de la Tierra, z 1, y z 2, - alturas de transmisión y recepción EN antenas en consecuencia.

La convexidad de la superficie terrestre limita la distancia desde el punto de recepción. EN El transmisor es visible. A(área de la línea de visión, Fig. 3). Sin embargo, las ondas de radio, que se curvan alrededor de la Tierra como resultado de la difracción, pueden penetrar una distancia mayor en la región de sombra ( R 0 - radio de la Tierra). En la práctica, debido a la difracción, sólo ondas kilométricas y más largas pueden penetrar en esta región (Fig. 4).

Arroz. 4. Gráfico que ilustra la relación de rango r propagación desde el valor W = 20lg|E/E * | , Dónde mi- la intensidad del campo de la onda de radio en condiciones reales de propagación, teniendo en cuenta la curva alrededor de la convexidad de la superficie terrestre (el emisor está situado en la superficie terrestre); E * - intensidad de campo para diferentes frecuencias sin tener en cuenta la difracción.

La velocidad de fase de las ondas terrestres cerca del emisor depende de la energía eléctrica. propiedades. Sin embargo, a una distancia de varios. l del emisor u f! Con. Si las ondas de radio se propagan a través de la electricidad superficie no uniforme, p.e. primero sobre tierra y luego sobre el mar, luego, cuando la costa no se corta, la amplitud y dirección del río cambian bruscamente. (refracción costera, Fig. 5).

Arroz. 5. Cambio en la intensidad del campo eléctrico de una ola al cruzar la costa.

La influencia del relieve de la superficie terrestre en el río. depende de la altura del desnivel h, su extensión horizontal yo, l y ángulo q de incidencia de la onda en la superficie. Si las protuberancias son lo suficientemente pequeñas y suaves como para kh cosq< < 1 (k- número de onda), y el llamado criterio de Rayleigh k 2 yo 2 cosq< 1, то они слабо влияют на Р. р. Влияние неровностей зависит также от поляризации волн. Напр., для горизонтально поляризованных волн оно меньше, чем для волн, поляризованных вертикально. Когда неровности не малы и не пологи, энергия радиоволны может рассеиваться (радиоволна отражается от них). Высокие горы и холмы с h> l “perturbar” el campo de ondas, formando áreas de sombra. La difracción de ondas de radio por las crestas montañosas a veces conduce a la amplificación de ondas directas y reflejadas. La cima de la montaña sirve como un natural. reloj de repetición. Esto es significativo cuando las ondas de radio métricas se propagan en zonas montañosas (Fig. 6).

Propagación de ondas de radio en la troposfera. La troposfera es una región de la atmósfera ubicada entre la superficie de la Tierra y la tropopausa, en la que la temperatura del aire suele disminuir con la altura (en la tropopausa, la temperatura aumenta con la altura). La altura de la tropopausa en el globo no es la misma; por encima del ecuador es mayor que por encima de los polos, y en las latitudes medias, donde hay un sistema de fuertes vientos del oeste, cambia abruptamente. La troposfera está formada por una mezcla de moléculas neutras y átomos de gases que forman el aire seco y el vapor de agua. La constante dieléctrica y, por tanto, el índice de refracción de un gas que no contiene electrones ni iones libres, es causado por campos adicionales creados por el desplazamiento de electrones en las moléculas (aire seco) y la orientación de las moléculas polares (vapor de agua) bajo la superficie. influencia de la electricidad. campos de ondas.

Índice de refracción de la troposfera

Dónde pag- presión de aire seco, mi- presión de vapor de agua en milibares, t- temp-pa. El índice de refracción no depende de la frecuencia y difiere muy poco de la unidad. Así, en la superficie de la Tierra, al aumentar la altitud, los parámetros cambian r, t, e, que determinan el valor de los índices de refracción. En condiciones meteorológicas normales. condiciones, el índice de refracción disminuye con la altura:

Esto conduce a la curvatura de la trayectoria del rayo. Para estimar correctamente la posición del rayo con respecto a la superficie de la Tierra, es necesario tener en cuenta la esfericidad de su superficie, lo que se puede hacer introduciendo el índice de refracción dado (3):

diferente de graduado norte no sólo abdominales. en magnitud, pero también en signo. En condiciones de grado de refracción troposférica normal norte pr > 0. En este caso, el haz que emerge del emisor elevado sobre el suelo formando un ángulo con la vertical se acerca a él a medida que se propaga. Cuando los rayos se propagan en la dirección de valores decrecientes. norte etc. En este caso, dependiendo de los valores de f 0, el haz puede llegar a la superficie de la Tierra y reflejarse desde ella, alcanzar el punto de giro determinado a partir de la condición (5), y en un determinado valor del ángulo. f 0 el punto de inflexión puede estar en la superficie de la Tierra. En este caso, la trayectoria del rayo es el límite entre la zona por la que pueden entrar los rayos y la zona de sombra. La refracción troposférica normal aumenta el área de la línea de visión.

Meteorológico condiciones de los seres. influyen en el cambio en el índice de refracción, es decir, la refracción de las ondas de radio. Por lo general, en la troposfera, la presión del aire y la temperatura disminuyen con la altitud y la presión del vapor de agua aumenta. Bajo ciertas condiciones meteorológicas. condiciones, por ej. cuando el aire calentado sobre la tierra se mueve sobre la superficie más fría del mar, la temperatura del aire aumenta con la altura y la presión del vapor de agua disminuye (inversión de temperatura y humedad). En este caso, el índice de refracción no cambia monótonamente con la altura, es decir dn etc. /dh a cierta altura la señal puede cambiar. Si en el intervalo de altura determinado por el espesor de la capa de inversión, entonces grad norte notario público.<0. В плоскослоистой среде с grad norte etc.< О лучи отражаются от высоты, определяемой из условия (5). В пространстве, ограниченном снизу поверхностью Земли, а сверху высотой, на к-рой dn etc. /dh cambia de signo, surgen las condiciones para la propagación de la guía de ondas (Fig. 7). En las guías de ondas troposféricas, por regla general, ondas con l< 1 м.

Arroz. 7. Trayectorias VHF en una guía de ondas troposféricas.

La absorción de ondas de radio en la troposfera es insignificante para todas las ondas de radio hasta el rango de centímetros. La absorción de ondas centimétricas y más cortas aumenta drásticamente cuando la frecuencia de la onda w coincide con una de las frecuencias naturales. Frecuencias de vibración de las moléculas de aire (absorción resonante). Las moléculas reciben energía de la onda entrante, que se convierte en calor y solo se transfiere parcialmente a ondas secundarias. Se conocen varias líneas de absorción resonantes en la troposfera: l = 1,35 cm, 1,5 cm, 0,75 cm (absorción en vapor de agua) y l = 0,5 cm, 0,25 cm (absorción en oxígeno). Entre las líneas de resonancia se encuentran zonas de absorción más débil (ventanas de transparencia).

La atenuación de las ondas de radio también puede deberse a la dispersión por faltas de homogeneidad que surgen durante el movimiento turbulento de masas de aire (ver. Turbulencia).La dispersión aumenta bruscamente cuando en el aire hay gotas heterogéneas en forma de lluvia, nieve y niebla. La dispersión de Rayleigh casi isotrópica en faltas de homogeneidad a pequeña escala hace posible la comunicación por radio a distancias significativamente mayores que la línea de visión (Fig. 8). Por tanto, la troposfera influye significativamente en la propagación de VHF. Para ondas decámétricas y más largas, la troposfera es casi transparente y su propagación está influenciada por la superficie terrestre y las capas superiores de la atmósfera.

Arroz. 8. Dispersión de ondas de radio por faltas de homogeneidad a pequeña escala.

Propagación de ondas de radio en la ionosfera. La ionosfera se forma en la parte superior. Capas de la atmósfera terrestre, en las que los gases están parcialmente ionizados (hasta un 1%) bajo la influencia de los rayos UV y X. y radiación solar corpuscular. La ionosfera es eléctricamente neutra y contiene un número igual de positivos. y negar. partículas, es decir, es plasma. Lo suficientemente grande, influyendo en el río R., comienza a una altitud de 60 km (capa D), aumenta hasta una altura de 300-400 km, formando capas E.F. 1 , F 2 y luego disminuye lentamente. Pulgada. concentración máxima de electrones norte alcanza 10 6 cm -3. Adiccion norte desde cambios de altura con la hora del día, el año, la actividad solar, así como con la latitud y longitud. ionizado la capa entre 200 y 400 km se compone principalmente de un número igual de iones O + y electrones. Estas partículas se sumergen en un gas neutro con una concentración de 10 8 cm -3, compuesto principalmente. de partículas O 2, O, N 2 y He.

En un plasma multicomponente que contiene electrones, iones y moléculas neutras y está impregnado de magnetismo. El campo de la Tierra (ver Magnetismo terrestre), pueden ocurrir varias diferencias. tipos de propiedad vibraciones que tienen diferentes frecuencias. Por ejemplo, frecuencias de electrones e iones giromagnéticos en plasma (Langmuir). frecuencias de electrones e iones donde m, METRO- masas de electrones e iones, mi- su cargo, norte- concentración, H 0- tensión magnética campos de la Tierra. Porque entonces. Por ejemplo, para electrones = 1,4 MHz y para iones de oxígeno atómico = 54 Hz.

Dependiendo de la frecuencia w de la onda de radio, principal. papel en R. r. jugar ciertos tipos de propiedades. vibraciones, por lo tanto eléctricas. Las propiedades de la ionosfera son diferentes para diferentes partes del alcance de la radio. En w alta, los iones no tienen tiempo de seguir los cambios de campo en el R.R. Sólo participan los electrones. Las oscilaciones forzadas de los electrones libres de la ionosfera se producen en antifase con la fuerza actuante y provocan la polarización del plasma en la dirección opuesta a la eléctrica. campo de onda E. Por lo tanto, el dieléctrico. permeabilidad ionosférica e< 1. Она уменьшается с уменьшением частоты: Teniendo en cuenta las colisiones de electrones con átomos e iones se obtienen fórmulas más precisas para la ionosfera e y s:

Aquí v es eff. frecuencia de colisión. Para ondas decámétricas y más cortas en la mayor parte de la ionosfera e índices de refracción h y las absorciones son aproximadamente iguales:

Porque el h< 1, velocidad de fase R.r. ultravioleta = = s/n > s, velocidad de grupo u gr = s/n< с .

La absorción en la ionosfera es proporcional. v, porque cuanto mayor es el número de colisiones, mayor parte de la energía que recibe el electrón de las ondas se convierte en calor. Por tanto, la absorción es mayor en la parte inferior. áreas de la ionosfera (capa D), donde v es mayor porque la densidad del gas es mayor. A medida que aumenta la frecuencia, la absorción disminuye. Las ondas cortas experimentan una absorción débil y se propagan a largas distancias.

Refracción de ondas de radio en la ionosfera. En la ionosfera sólo se propagan ondas de radio con una frecuencia w > w 0. En w< w 0 показатель преломления становится чисто мнимым и эл--магн. поле экспоненциально убывает в глубь плазмы. Радиоволна с частотой w, падающая на ионосферу вертикально, отражается от уровня, на к-ром w = w 0 и norte= 0. En inferior partes de la ionosfera, la concentración de electrones y w 0 aumentan con la altura, por lo tanto, al aumentar w, la onda enviada desde la Tierra penetra cada vez más profundamente en la ionosfera. Máx. frecuencia de una onda de radio que se refleja desde la capa ionosférica durante la incidencia vertical, llamada crítico frecuencia de capa:

Crítico frecuencia de capa F 2 (pico máximo) varía a lo largo del día y del año dentro de un amplio rango (de 3-5 a 10 MHz). Para olas con el índice de refracción no desaparece y una onda que incide verticalmente atraviesa la ionosfera sin reflejarse.

Cuando una onda incide oblicuamente sobre la ionosfera, se produce refracción, como en la troposfera. en la parte inferior parte de la ionosfera gradM -1, es decir, por lo tanto grad y la trayectoria del haz se desvía hacia la Tierra (Fig. 9). Una onda de radio que incide en la ionosfera con un ángulo f 0 gira hacia la Tierra a una altitud h, para lo cual se cumple la condición (5). Máx. la frecuencia de la onda reflejada desde la ionosfera cuando incide en un ángulo (es decir, para una distancia de trayectoria dada) es igual a lo que se llama frecuencia máxima aplicable (MUF). Olas con Reflejados por la ionosfera, regresan a la Tierra, que se utiliza para comunicaciones por radio de larga distancia.

Arroz. 9. Representación esquemática de rayos de radio de una determinada frecuencia en diferentes ángulos de incidencia sobre la ionosfera.

Arroz. 10. Propagación de ondas cortas entre la Tierra y la ionosfera: A- trayectoria de múltiples saltos; b- trayectoria deslizante.

Debido a la esfericidad de la Tierra, el ángulo f 0 es limitado y el rango de comunicación con un solo reflejo de la ionosfera es de 3500 a 4000 km. La comunicación a largas distancias se realiza a expensas de varios. secuencial reflexiones de la ionosfera y la Tierra (“saltos”, Fig. 10, A). También son posibles trayectorias de guía de ondas más complejas, que surgen debido al gradiente horizontal. norte o dispersión por faltas de homogeneidad de la ionosfera durante R. r. con frecuencia w>w MUF. Como resultado de la dispersión, el ángulo de incidencia del haz sobre la capa. F 2 resulta ser mayor que con la propagación normal. El rayo experimenta una serie de rayos consecutivos. reflejos de la capa F 2 hasta que caiga en un área con tal gradiente norte, lo que provocará la reflexión de parte de la energía hacia la Tierra (Fig. 10, b).

Influencia del campo magnético terrestre. norte 0 . En revista. campo norte 0 para un electrón que se mueve a gran velocidad. tu , válido fuerza de lorentz bajo la influencia del corte gira en círculo en un plano perpendicular a norte 0 , con giromagnético frecuencia w h. La trayectoria de cada carga. partículas: una hélice con un eje a lo largo norte 0. La acción de la fuerza de Lorentz conduce a un cambio en la naturaleza de las oscilaciones forzadas de los electrones bajo la influencia de la electricidad. campo ondulatorio y, por tanto, a un cambio en la potencia eléctrica. propiedades del medio ambiente. Como resultado, la ionosfera se convierte en un medio girotrópico anisotrópico, eléctrico. las propiedades del corte dependen de la dirección del río. y no se describen por la cantidad escalar e, sino por el tensor dieléctrico. permeabilidad Una onda incidente en tal medio experimenta birrefringencia,T. e.se divide en dos ondas, que difieren en velocidad y dirección de propagación, absorción y polarización. Si la dirección de R. es r., entonces la onda incidente puede imaginarse como la suma de dos ondas linealmente polarizadas. Para la primera ola “extraordinaria” ( mi)la naturaleza del movimiento forzado de electrones bajo la influencia del campo ondulatorio mi cambia (aparece una componente de aceleración, perpendicular a mi) y por lo tanto cambia PAG. Para la segunda ola, “ordinaria” ( oh) el movimiento forzado sigue siendo el mismo que sin campo norte 0 (la fuerza de Lorentz es 0). Para estas dos ondas (ignorando las colisiones), los cuadrados de los índices de refracción son iguales

Cuando R. r. a lo largo de

En el último caso, ambas ondas tienen polarización circular y la onda "extraordinaria" tiene un vector mi gira en la dirección de rotación del electrón, mientras que el "ordinario" gira en la dirección opuesta. Con dirección arbitraria de R. r. (en relación con Н„) la polarización de las ondas normales es elíptica.

Según R. r. en la ionosfera, el cambio de fase entre ondas aumenta y la polarización de las ondas totales cambia. Por ejemplo, con P.p. a lo largo de norte 0 esto conduce a la rotación del plano de polarización ( efecto faraday), y con R. r. perpendicular norte 0 - a periódico alternancia de polarizaciones lineales y circulares (ver. Algodón - efecto Mouton), Dado que los índices de refracción de las ondas son diferentes, se reflejan a diferentes alturas (Fig. 11). Dirección k en R.r. en la ionosfera puede diferir de u gr.

Arroz. once. La división de las ondas de radio da como resultado la ionosfera.

Ondas de baja frecuencia en la ionosfera. Básico Parte de la energía de las ondas de radio de baja frecuencia prácticamente no penetra en la ionosfera. Las olas se reflejan desde su fondo. límites (durante el día - debido a la fuerte refracción en D-capa, por la noche - desde capa electrónica, a partir del límite de dos entornos con diferentes conexiones eléctricas. propiedades). La propagación de estas ondas está bien descrita por el modelo, según el cual la Tierra y la ionosfera, homogéneas e isotrópicas, forman una guía de ondas superficial con formas esféricas agudas. paredes, en las que ocurre R. r. Este modelo explica la disminución observada en el campo con la distancia y el aumento en la amplitud del campo con la altura. Este último está asociado con el deslizamiento de las ondas a lo largo de la superficie cóncava de la guía de ondas, lo que provoca una especie de "enfoque" del campo. Este fenómeno es similar al efecto de “galería de susurros” descubierto por Rayleigh en acústica. La amplitud de las ondas de radio aumenta significativamente en la antípoda de la Tierra con respecto a la fuente. Esto se explica por la adición de ondas de radio que rodean la Tierra en todas direcciones y convergen en el lado opuesto.

Influencia magnética El campo terrestre determina una serie de características de la propagación de ondas de baja frecuencia en la ionosfera: ondas ultralargas pueden salir de la guía de ondas de la superficie más allá de la ionosfera y propagarse a lo largo de las líneas del campo geomagnético. campos entre puntos conjugados A Y EN Tierra (Fig. 12). De la fórmula (8) se desprende claramente que cuando en el caso de la propagación longitudinal no llega a 0 en ninguna parte, es decir, la onda pasa a través de la ionosfera sin reflexión. En la atmósfera nocturna se acerca el geom. la óptica se altera y se produce una transmisión parcial en cualquier ángulo de incidencia. La caída de rayos · en la atmósfera - natural. fuente de ondas LF. En el rango de 1 a 10 kHz conducen a la formación de los llamados. silbido interferencias, que se propagan de la manera indicada y crean una señal con un silbido característico en la salida del receptor.

Arroz. 12.

Cuando R. r. Las frecuencias infrasónicas con w " W H las vibraciones de los iones juegan un papel importante, la ionosfera se comporta como un fluido neutro conductor, cuyo movimiento se describe mediante ecuaciones hidrodinámica magnética. Son posibles varias propagaciones en la ionosfera. tipos de magnetohidrodinámica. olas, en particular ondas alfvenas, propagándose a lo largo del campo geomagnético campos con velocidad característica (donde r es la densidad del gas) y ondas magnetosónicas, que se propagan isotrópicamente (como el sonido).

Los efectos no lineales durante la propagación de ondas de radio en la ionosfera aparecen ya para ondas de radio de intensidad relativamente baja y están asociados con una violación de la dependencia lineal de la polarización del medio de la energía eléctrica. campos de ondas (ver Óptica no lineal) La no linealidad "en calor" juega un papel importante. papel cuando las dimensiones características de la perturbación eléctrica El campo de la región del plasma es muchas veces mayor que el camino libre medio del electrón. Dado que el camino libre de los electrones en un plasma es importante, el electrón logra recibir una energía notable del campo durante un recorrido. La transferencia de energía durante las colisiones de electrones a iones, átomos y moléculas es difícil debido a la gran diferencia en sus masas. Como resultado, los electrones del plasma se "calientan" fuertemente ya en una corriente eléctrica relativamente débil. campo que cambia la eff. frecuencia de colisión. Por lo tanto, b y s del plasma se vuelven dependientes del campo. mi ondas y R. r. se vuelve no lineal. Dieléctrico "perturbación". permeabilidad

¿Dónde está el característico campo “plasma”, t - temperatura del plasma-pa, d - promedio. la fracción de energía perdida por un electrón durante una colisión con una partícula pesada es la frecuencia de colisión.

Por lo tanto, los efectos no lineales se vuelven perceptibles cuando el campo de onda mi comparable a mi p, que, dependiendo de la frecuencia de la onda y de la región de la ionosfera, es ~10 -4 -10 -1 V/cm.

Los efectos no lineales pueden manifestarse como la autointeracción de una onda y como la interacción de ondas entre sí. La autointeracción de una onda poderosa conduce a un cambio en su absorción y profundidad de modulación. La absorción de una potente onda de radio depende de forma no lineal de su amplitud. La frecuencia de colisión v al aumentar la temperatura de los electrones puede aumentar (en las capas inferiores, donde las colisiones con partículas neutras desempeñan el papel principal) o disminuir (en las colisiones con iones). En el primer caso, la absorción aumenta bruscamente al aumentar la potencia de las ondas (“saturación” del campo en el plasma). En el segundo caso, la absorción disminuye (es decir, el brillo del plasma se produce por una onda de radio potente). Debido al cambio no lineal en la absorción, la amplitud de la onda depende de forma no lineal de la amplitud del campo incidente, por lo que su modulación se distorsiona (automodulación y demodulación de la onda). Cambiar h en el campo de una onda potente provoca una distorsión de la trayectoria del haz. Cuando se propagan haces de ondas de radio dirigidos estrechamente, esto puede provocar que el haz se autoenfoque de forma similar. autoenfoque de la luz y a la formación de un canal de guía de ondas en el plasma.

La interacción de ondas en condiciones no lineales conduce a una violación. principio de superposición En particular, si se modula en amplitud una onda potente de frecuencia w 1, entonces, debido a un cambio en la absorción, esta modulación puede transferirse a otra onda de frecuencia w 2 que pasa por la misma región de la ionosfera (Fig. 13). El fenómeno se llama modulación cruzada o Efecto Luxemburgo-Gorki, tiene practica Valor para la radiodifusión en el rango medio. ondas

Arroz. 13. La modulación cruzada ionosférica ocurre en la región donde se cruzan los haces.

El calentamiento de la ionosfera en el campo de una onda potente en el rango de HF puede provocar parálisis térmica. La inestabilidad en la ionosfera conduce a una absorción anormalmente grande de las emisiones de radio y a la estratificación del plasma (ver. resonancia paramétrica). En la zona fuertemente alargado a lo largo norte 0 heterogeneidad de la ionosfera (con una escala longitudinal de 1 km, transversal - 0,5100 m), que son prometedoras para las comunicaciones de larga distancia en el rango VHF. En el campo de las ondas de radio muy potentes, los electrones se calientan tanto que se produce una descarga eléctrica. descomposición del gas.

Si las dimensiones de la región del plasma perturbada por el campo de ondas son mucho más pequeñas que el camino libre medio del electrón, la no linealidad del calentamiento se vuelve débil. Esto ocurre con pulsos cortos y haces estrechos de ondas de radio. En este caso, el principal el papel lo desempeña el llamado no linealidad estricta debido al hecho de que la alternancia no homogénea eléctrico El campo de ondas ejerce presión sobre los electrones, provocando la compresión del plasma. Concentración de electrones norte, y por lo tanto e y s se vuelven dependientes de la amplitud del campo. La no linealidad estricta conduce a un cambio en el dieléctrico. permeabilidad menos cambios de calentamiento en varios. órdenes de magnitud (a la misma potencia de onda). La no linealidad restrictiva juega un papel importante en paramétrico. inestabilidad de la ionosfera.

Propagación de ondas de radio en condiciones espaciales. Con excepción de los planetas y sus alrededores inmediatos, b. Parte de la materia del Universo está ionizada. Parámetros espaciales los plasmas varían ampliamente. Por ejemplo, la concentración de electrones e iones cerca de la órbita de la Tierra es ~1-10 cm -3, en la ionosfera de Júpiter ~10 5 cm -3, en la corona solar ~10 8 cm -3, en el interior de las estrellas ~10 27cm-3. Del espacio espacio un amplio espectro de radiación electromagnética llega a la Tierra. ondas, que en su camino desde el espacio deben pasar por la ionosfera y la troposfera. Ondas de dos tipos principales se propagan a través de la atmósfera terrestre sin una atenuación perceptible. Rangos de frecuencia: "ventana de radio" corresponde al rango ionosférico crítico. frecuencias w kr a frecuencias de fuerte absorción por aerosoles y gases atmosféricos (10 MHz - 20 GHz), la "ventana óptica" cubre el rango de radiación visible e IR (1-10 3 THz). La atmósfera también es parcialmente transparente en el rango de baja frecuencia (<300 кГц), где распространяются свистящие атмосферики и магнитогидродинамич. волны.

En el espacio En estas condiciones, la fuente de ondas de radio y su receptor a menudo se mueven rápidamente entre sí. Como resultado efecto Doppler esto conduce a un cambio en w por , donde tu- relata. velocidad. Frecuencia reducida al eliminar corresponsales ( corrimiento al rojo) es característica de la radiación de galaxias distantes que se alejan de nosotros. Ondas de radio en el espacio. El plasma está sujeto a refracción asociada con la heterogeneidad del medio (Fig. 14). Por ejemplo, debido a la refracción en la atmósfera terrestre, la fuente de ondas de radio es visible más arriba del horizonte que en la realidad. Para determinar la distancia a los púlsares y al interpretar los resultados del Sol y los planetas, es necesario tener en cuenta que en la cósmica plasma

Arroz. 14. Trayectorias de rayos de radio con l = 5 m en la corona solar.

Posibilidades de comunicación por radio con objetos ubicados en el espacio. espacio o en otros planetas, son diversos y están asociados con la presencia y estructura de sus atmósferas. si el espacio el plasma está en un campo magnético. campo (magnetosfera de Júpiter, regiones de manchas solares, magnetosferas de púlsar), entonces es un medio girotrópico, como la ionosfera de la Tierra. Para todos los planetas con atmósfera, la dificultad general de la comunicación por radio es la que se produce al entrar al espacio. Cuando el dispositivo se inserta en las densas capas de la atmósfera, se crea una densa capa de plasma a su alrededor, lo que dificulta el paso de las ondas de radio. En planetas como Mercurio y la Luna, que prácticamente no tienen atmósfera ni ionosfera, en el R. R. Sólo la superficie del planeta se ve afectada. Debido a la falta de reflexión de la ionosfera, el alcance de comunicación a lo largo de la superficie de dicho planeta es pequeño (Fig. 15) y sólo puede aumentarse mediante retransmisión vía satélite.

Arroz. 15. Dependencia del rango r Comunicaciones por radio en la superficie de la Luna desde la frecuencia w/2p.

Propagación de ondas de radio de diferentes alcances. Las ondas de radio de frecuencias muy bajas (3-30 kHz) y bajas (30-300 kHz) se curvan alrededor de la superficie terrestre debido a la propagación y difracción de la guía de ondas, penetran relativamente débilmente en la ionosfera y son poco absorbidas por ella. Se caracterizan por una alta estabilidad de fase y la capacidad de cubrir uniformemente grandes áreas, incluidas las regiones polares. Esto permite utilizarlos para comunicaciones por radio y navegación por radio estables de largo y ultra largo alcance, a pesar del alto nivel de atm. interferencia Para la radiodifusión se utiliza la banda de frecuencia de 150 a 300 kHz. Una gran cantidad de geofísica. La investigación se lleva a cabo mediante la observación de señales naturales. origen, que se generan, por ejemplo, por descargas de rayos y partículas de radiación. cinturones de la Tierra. Las dificultades para utilizar este rango de frecuencia se deben al volumen de los sistemas de antena con altos niveles ATM. interferencia, con relativa velocidad limitada de transferencia de información.

Las ondas medias (300-3000 kHz) se propagan a lo largo de la superficie de la Tierra durante el día (onda terrestre o directa). Prácticamente no hay ninguna onda reflejada desde la ionosfera, ya que las ondas son fuertemente absorbidas en D-capa de la ionosfera. De noche por falta de radiación solar D-La capa desaparece, aparece una onda ionosférica, reflejada desde mi-capa y el rango de recepción aumenta. La adición de ondas directas y reflejadas conlleva una fuerte variabilidad del campo, por lo que la onda ionosférica es una fuente de interferencia para muchos. servicios que utilizan la propagación por ondas terrestres. Casarse. Las ondas se utilizan para radiodifusión, comunicaciones radiotelegráficas y radiotelefónicas y radionavegación.

Las ondas cortas (3-30 MHz) se absorben débilmente. D- Y mi-capas y se reflejan desde capa F, cuando sus frecuenciasamp. Como resultado de su reflexión en la ionosfera, la comunicación a cortas y largas distancias es posible con niveles de potencia de transmisión mucho más bajos y antenas mucho más simples que en bandas de frecuencia más bajas. Esta gama se utiliza para comunicaciones radiotelefónicas y radiotelegráficas, transmisiones de radio y comunicaciones de radioaficionados. Una característica de las comunicaciones por radio en este rango es la presencia de desvanecimiento de la señal debido a cambios en las condiciones de reflexión de la ionosfera y la interferencia. efectos. Las líneas de comunicación HF están sujetas a la influencia de la atmósfera. interferencia Las tormentas ionosféricas provocan interrupciones en las comunicaciones.

Para frecuencias muy altas y VHF (30 - 1000 MHz), predomina R. r. dentro de la troposfera y penetración a través de la ionosfera. El papel de la onda terrestre está disminuyendo. Los campos de interferencia en la parte de baja frecuencia de este rango todavía pueden determinarse mediante reflexiones de la ionosfera y hasta una frecuencia de 60 MHz la dispersión ionosférica sigue desempeñando un papel. role. Todos los tipos de radar, a excepción del de dispersión troposférica, permiten transmitir señales con un ancho de banda de frecuencia de varios. Megahercio. En esta parte del espectro, es posible una transmisión de audio de muy alta calidad a una distancia de 50 a 100 km. Las emisiones de radio con modulación de frecuencia funcionan en frecuencias de alrededor de 100 MHz.

La televisión se transmite en el mismo rango de frecuencia. radiodifusión. Varios de ellos han sido asignados a la radioastronomía. bandas espectrales estrechas, que también se utilizan para aplicaciones espaciales. comunicaciones, radar, meteorología, además, para comunicaciones de aficionados.

Las ondas UHF y microondas (1000-10000 MHz) se propagan principalmente. dentro del campo visual y caracterizado por bajos niveles de ruido. En este rango en R. r. Las áreas máximas conocidas influyen. absorción y frecuencia de la radiación química. elementos (por ejemplo, líneas de hidrógeno cerca de 1420 MHz). En esta gama se ubican los sistemas de comunicación de banda ancha multicanal para transmisión telefónica y televisiva. señales. La alta directividad de las antenas permite el uso de bajos niveles de potencia en sistemas de relevadores de radio, y la dispersión troposférica proporciona un alcance de radio de ~ 800 km. Esta gama se utiliza en radionavegación. y radares servicios Para radioastronomía Las observaciones identificaron bandas de frecuencia para el hidrógeno atómico, el radical OH y la radiación continua. En el espacio Banda de frecuencia de radiocomunicaciones ~ 1000-10 000 MHz - máx. una parte importante del espectro radioeléctrico.

Las ondas de microondas (>10 GHz) sólo viajan dentro del campo de visión. Hay varias pérdidas en este rango. más altas que en frecuencias más bajas, y su valor está fuertemente influenciado por la cantidad de precipitación. El aumento de las pérdidas en estas frecuencias se ve parcialmente compensado por la mayor eficiencia de los sistemas de antenas. Las microondas se utilizan en radares, radionavegación y meteorología. Las frecuencias se pueden utilizar en líneas de comunicación entre la superficie de la Tierra y el espacio.< 20 ГГц. Для связи в космосе могут применяться значительно более высокие частоты. При этом отсутствуют взаимные помехи между космич. и некосмич. службами. Диапазон СВЧ важен также для радиоастрономии.

Iluminado.: Dolukhanov M.P., Propagación de ondas de radio, 4ª ed., M., 1972; Brekhovskikh L.M., Ondas en medios estratificados, 2ª ed., M., 1973; Ginzburg V.L., Propagación de ondas electromagnéticas en plasma, 2ª ed., M., 1967; Tatarsky V.I., Propagación de ondas en una atmósfera turbulenta, M., 1967; Fok V. A., Problemas de difracción y propagación de ondas electromagnéticas, M., 1970; Gurevich A.V., Shvartsburg A.B., Teoría no lineal de la propagación de ondas de radio en la ionosfera, M., 1973; Zheleznyakov V.V., Ondas electromagnéticas en plasma espacial, M., 1977.

P. A. Bespalov, M. B, Vinogradova.

En este artículo te hablaremos de las ondas de radio y las propiedades de su propagación.

Muchas personas, al no tener conocimientos básicos de los tipos de energía y sus propiedades, suelen hablar de métodos para transmitir energía de forma inalámbrica a distancia. Otros, sin saber cómo se propagan las ondas de radio, fabrican antenas para sus transmisores y receptores de radio, tratando de lograr las máximas características de transmisión y recepción, pero fracasan. Algunos leen libros inteligentes, mientras que otros confían en la experiencia o en el consejo de un amigo analfabeto. Este artículo está dedicado a disipar al menos algunos de los conceptos erróneos y dar una idea sobre las ondas electromagnéticas y su tipo: las ondas de radio.

Como de costumbre, no describiré las fórmulas de Maxwell, Faraday y otros científicos famosos. Hay una gran cantidad de ellos en los libros de texto de física, lecturas que, incluso yo, que tengo educación y experiencia en radioelectrónica, no entiendo por qué estos libros de texto contienen fórmulas abstrusas, pero falta la información más simple de valor práctico útil. Después de todo, al día o semana siguiente a la graduación, el estudiante no recordará estas fórmulas y no conocerá conceptos simples, como tampoco los conocía.

Comencemos con el hecho de que el gran inventor y practicante de máquinas eléctricas, Nikola Tesla, utilizó activamente oscilaciones electromagnéticas en sus experimentos, que nadie conocía antes y, como ahora sabemos por los libros de texto de física de la escuela secundaria, generan un tipo de electromagnética. ondas - ondas de radio. Pero repito, en la época de Tesla nadie sabía de la existencia de ondas electromagnéticas. Intuitivamente, a través de observaciones, Tesla entendió que como resultado de sus experimentos, apareció algún tipo de energía en el espacio circundante. Pero en aquellos días no existía tal ciencia ni equipo que nos permitiera revelar el concepto de ondas electromagnéticas. Por lo tanto, este fenómeno fue considerado como una categoría filosófica, que Tesla llamó: éter.

Hoy en día sostienen que “éter” y ondas electromagnéticas son conceptos diferentes. Están completamente equivocados sólo porque absolutamente todos los inventos de Tesla se basan en el uso de corriente eléctrica alterna ordinaria y campos electromagnéticos, que a su vez no generan "éter", sino las ondas electromagnéticas más comunes en el rango de radiofrecuencia. Es lo que actualmente se llama ondas electromagnéticas que Nikola Tesla llamaba en aquellos tiempos éter. No puede haber otras explicaciones. Se puede argumentar durante mucho tiempo que se trata de conceptos diferentes. Por ejemplo, alguien echa espuma por la boca al intentar demostrar que la velocidad de propagación del éter es mayor que la velocidad de la luz, pero no hay base de evidencia. ¿Con ayuda de qué experimento Nikola Tesla pudo medir la velocidad del éter? No existe tal información en ninguna parte. Sólo hay una conclusión: no lo midió, sólo lo asumió. ¿Dirás que el éter transporta energía? ¡Mi respuesta es que cualquier onda electromagnética transporta energía! Me encontré con circuitos prácticos para receptores de radio sin baterías, diseñados no para funcionar con auriculares o un cabezal dinámico, sino para recibir corriente eléctrica directa "de la nada" por parte de aquellos residentes de megaciudades que viven junto a potentes centros de radio y televisión.

– oscilación electromagnética sinusoidal en el espacio. La abreviatura generalmente aceptada es EMV. Una onda electromagnética es luz, rayos de calor en el rango infrarrojo invisible, rayos X y ondas de radio. La única diferencia es la potencia de vibración y la longitud de onda. En particular, Tesla se ocupó de las ondas de radio. De hecho, él es el inventor de la radio, y no Marconi y Popov. Estos últimos supieron describir las ondas de radio, por lo que se les considera los inventores de la radio. Tesla fue un descubridor, pero en aquel momento no tenía explicaciones científicas, que aparecieron mucho más tarde con Popov y Marconi. Además, utilizaron ondas de radio con fines prácticos y útiles. Tesla en un momento escribió sobre la transferencia de una señal de información mediante un transmisor y un receptor, pero, dejándose llevar por un rayo, simplemente no tuvo tiempo de inventar sus dispositivos prácticos. Una pregunta razonable es: ¿qué vibra en las ondas electromagnéticas? Responderé, sin profundizar demasiado en la física nuclear, que estos son fotones, coágulos de energía que tienen un campo electromagnético, pero no tienen masa. Son estas propiedades las que permiten que los fotones sean portadores de energía. Los científicos nucleares continúan "descomponiendo" fotones en sus elementos constituyentes. No continuaremos con esta línea de pensamiento, les deseamos éxito, porque ese no es el tema del artículo. Si está en contra de pensar que el “éter” son ondas electromagnéticas, entonces intente aceptar que el “éter” son fotones y que las ondas electromagnéticas son, en esencia, un flujo dirigido de fotones.

fuente de ondas de radio Puede ser cualquier conductor eléctrico en el que se mueve corriente eléctrica alterna. En la práctica, la fuente de una onda de radio es un generador de alta frecuencia, cuya energía vibratoria se propaga al espacio a través de una antena de radio. La primera fuente operativa de oscilaciones de radio, inventada por el hombre y utilizada con éxito obvio y racional, fue un transmisor-receptor de radio Marconi (o Popov), que utilizaba como generador de alta frecuencia un dispositivo de almacenamiento de alto voltaje con una vía de chispa conectada. a una antena: un vibrador Hertz normal.

Circuito transmisor y receptor Popov-Marconi

Propiedades de propagación de ondas electromagnéticas.

Rango de propagación de ondas electromagnéticas. Depende de la frecuencia de oscilación de la corriente eléctrica alterna (oscilación electromagnética). En frecuencias que van desde unidades hasta miles de Hertz, correspondientes al rango de ondas de audio, una onda electromagnética creada en el espacio mediante inductancia se propaga a una distancia que no excede de una a dos decenas de metros y, por lo tanto, no tiene ninguna aplicación práctica útil. A frecuencias de cientos de kilohercios y superiores, que corresponden al rango de ondas de radio, una onda electromagnética puede propagarse a lo largo de miles de kilómetros.

El rango de propagación de una onda electromagnética también depende de la potencia de la corriente que fluye a través del conductor. Como se dijo anteriormente, una onda electromagnética de baja frecuencia no tiene una aplicación práctica útil, pero tiene un efecto dañino. Un ejemplo de influencia nociva es la influencia de una línea eléctrica de alto voltaje (PTL) con un voltaje de varias decenas de miles de voltios en la radio de un automóvil que pasa. Alrededor de los cables de alto voltaje se forma un poderoso campo electromagnético, que excede significativamente en amplitud las oscilaciones electromagnéticas de las estaciones de radio remotas y en el receptor, en lugar de la estación de radio, se escucha un zumbido de baja frecuencia del voltaje de la red. Otro caso es cuando el receptor de radio está "atascado" cerca de líneas eléctricas con un voltaje de red de sólo 380 voltios, pero una corriente de más de 100 amperios. En el primer caso tenemos un voltaje alto, y en el segundo tenemos una corriente alta. De un libro de texto de física de secundaria se sabe que la potencia de la corriente eléctrica en un conductor está relacionada con el voltaje y la corriente mediante la expresión Р=U*I. Y cuanto mayor es la potencia, mayor es la propagación del campo electromagnético y, como consecuencia, la onda electromagnética generada por el campo electromagnético. Esto explica la influencia de la potencia en el rango de propagación.

¿Por qué la onda sobre la que se escribe aquí se llama electromagnética? Porque consta de una oscilación sinusoidal eléctrica y magnética. Estos dos tipos de vibraciones están orientadas en el espacio entre sí de forma perpendicular, exactamente 90 grados.
Cuando la onda eléctrica es "horizontal", orientada paralela a la línea del horizonte, y la onda magnética es correspondientemente "vertical", orientada perpendicular a la línea del horizonte, entonces se dice que la onda electromagnética tiene polarización horizontal lineal.

Cuando la onda eléctrica es "vertical", orientada perpendicular a la línea del horizonte, y la onda magnética es correspondientemente "horizontal", orientada paralela a la línea del horizonte, entonces se dice que la onda electromagnética tiene polarización vertical lineal.

Si una onda eléctrica (y por lo tanto una onda magnética) tiene una inclinación con respecto a la línea del horizonte (el ángulo no es igual a cero o 90 grados), entonces dicen que la onda electromagnética tiene polarización inclinada lineal.

También existe otro tipo de polarización que se utiliza para aumentar el rango de transmisión (recepción) y mejorar la inmunidad al ruido de los equipos receptores de radio: polarización circular- un tipo de polarización de una onda electromagnética, en la que durante un período de oscilación electromagnética la onda de radio realiza una rotación completa de 360 ​​grados. Un tipo de polarización circular es polarización elíptica— polarización circular “aplanada” en uno de los planos.

Todos estos tipos de polarización están determinados por el diseño y la orientación de la antena de radio.

La importancia práctica de la polarización radica en el hecho de que si el transmisor y el receptor de radio están sintonizados en la misma frecuencia, pero tienen polarización diferente, por ejemplo, el transmisor tiene polarización vertical y el receptor tiene polarización horizontal, entonces la comunicación por radio será deficiente. o no habrá polarización alguna.

Un ejemplo del uso de la polarización de la luz como tipo de oscilación electromagnética es el cine 3D. El principio de funcionamiento de los sistemas de imágenes de vídeo 3D se basa en lo siguiente: la película se graba con cámaras de cine (cámaras de vídeo) separadas en el espacio, como dos ojos humanos. Cuando se proyecta en una sala de cine, dos proyectores independientes se cubren con filtros polarizadores; exactamente los mismos filtros en forma de películas se encuentran en las gafas de los espectadores. El proyector derecho y el ojo derecho del espectador están cubiertos con un filtro con polarización vertical, y el proyector y el ojo izquierdos están cubiertos con un filtro con polarización horizontal. Así, el ojo derecho ve la imagen desde el proyector derecho y el ojo izquierdo desde el izquierdo. Se pueden utilizar otras opciones para separar ondas de luz como filtros, pero el artículo no trata de esto; la polarización de la luz es una de las formas de seleccionar ondas electromagnéticas.

Las ondas electromagnéticas (ondas de radio) viajan en diferentes medios a diferentes velocidades. La velocidad de las ondas de radio en el vacío es aproximadamente igual a la velocidad de la luz. 300.000 kilómetros por segundo. En el aire, las ondas de radio viajan a una velocidad ligeramente menor, pero no mucho, por lo que se acepta la misma cifra: 300.000 km/s. Dado que el agua corriente es conductora de electricidad, su superficie es un reflector de ondas de radio y parte de la energía de las ondas de radio se gasta en calentar las capas superficiales del agua. Un ejemplo típico de esto es un horno microondas, que calienta las moléculas de agua contenidas en los alimentos que se están calentando. Los metales no transmiten ondas de radio, reflejando toda la energía de las vibraciones electromagnéticas.

Igualmente importantes son las propiedades de propagación de las ondas de radio en función de su longitud de onda. Permítanme recordarles que la longitud de una onda electromagnética está relacionada con la frecuencia de las oscilaciones a través de la velocidad de su propagación en el vacío (la velocidad de la luz):

Dónde: F- frecuencia, λ – longitud de onda, Con– velocidad de la luz igual a 300.000 km/seg.

Las ondas de radio se dividen en varios rangos:

"SDV" extralargo– frecuencia 3 – 30 kHz, con una longitud de onda de 100 – 10 km;

"DV" largo– frecuencia 30 – 300 kHz, con una longitud de onda de 10 – 1 km;

Medio "SV"– frecuencia 300 – 3000 kHz, con una longitud de onda de 1000 – 100 metros;

"AF" corto– frecuencia 3 – 30 MHz, con una longitud de onda de 100 – 10 metros;

Ultracorto "VHF", incluido:

- metro "MV"– frecuencia 30 – 300 MHz, con una longitud de onda de 10 – 1 metro;

- decímetro "DMV"– frecuencia 300 – 3000 MHz, con una longitud de onda de 10 – 1 dm;

- centímetro "SMV"– frecuencia 3 – 30 GHz, con una longitud de onda de 10 – 1 cm;

- milímetro "MMV"– frecuencia 30 – 300 GHz, con una longitud de onda de 10 – 1 mm;

- submilimétrico "SMMV"– frecuencia 300 – 6000 GHz, con una longitud de onda de 1 – 0,05 mm;

Los rangos que van desde ondas decímetros hasta ondas milimétricas se denominan frecuencias ultraaltas debido a sus altísimas frecuencias. "Microonda".

Naturalmente, todos los rangos de ondas de radio enumerados, tanto nacionales como burgueses, se pueden dividir en subbandas.

Para transmitir información, una onda de radio debe modularse con una señal que contenga información. Las ondas largas, medias y cortas suelen tener modulación de amplitud, que en inglés suena: Amplitud modulada "SOY". Las ondas ultracortas suelen tener modulación de frecuencia, que en inglés suena como: modulación de frecuencia, y entre la burguesía se les designa como: "FM"(De acuerdo con nuestro "Copa Mundial").

Además de dividir las ondas de radio en rangos, es necesario agregar que dependiendo de la dirección y las rutas de propagación de las ondas de radio, son superficial(terrestre) (1) – propagarse a lo largo de la superficie terrestre desde el transmisor de radio hasta el receptor, sin utilizar las capas superiores de la atmósfera y espacial(2) – propagándose a través de las capas superiores de la atmósfera y con reflexión de la ionosfera (3).

Existe el concepto de que cuanto mayor es la longitud de onda (menor la frecuencia), más capaz es de sortear obstáculos. Y viceversa, cuanto más corta es la longitud de onda (mayor frecuencia), más rectilínea (mejor en línea recta) se propaga la onda de radio.

Las ondas largas son capaces de propagarse a lo largo de la superficie de la tierra y del agua, pero apenas llegan a la ionosfera. Esta propiedad se utiliza para organizar la comunicación con los buques marítimos; la comunicación está disponible en casi cualquier lugar del mar.

Las ondas medianas se propagan a lo largo de la superficie de la tierra y el agua y también son reflejadas por la ionosfera.

Las ondas cortas se propagan en “saltos”, reflejándose periódicamente desde la ionosfera y la superficie terrestre.

Las ondas ultracortas y las frecuencias más altas viajan rectas, como la luz de cualquier fuente de luz, no pueden doblarse a lo largo del globo y la ionosfera es transparente para ellas.

Un ejemplo sencillo del uso de la onda larga es la comunicación por radio con submarinos. Para que el enemigo no lo note al contactar con el mando de la flota, el barco sale a la superficie durante muy poco tiempo. Pero si las ondas utilizadas para comunicarse con un submarino se propagaran en “saltos”, entonces no habría comunicación en ningún lugar del mundo. Pero en la práctica, no importa en qué parte del mundo emerja el barco, la conexión aparece de inmediato. Por supuesto, recientemente, con el desarrollo de la tecnología, los submarinos utilizan varias bandas, incluidas las comunicaciones espaciales (a través de satélites de comunicaciones) en el rango de microondas.

Un ejemplo del uso de ondas de radio en los rangos VHF, UHF y UHF es el radar pulsado, donde la propiedad de propagación rectilínea de las ondas de radio en estos rangos se utiliza para determinar con precisión las coordenadas espaciales de aviones, bandadas de pájaros y otros objetos en el aire. . Incluso se lleva a cabo un reconocimiento meteorológico: el nivel y la intensidad de las nubes a largas distancias.

Desde el mismo dispositivo de transmisión de radio, las ondas de radio reflejadas desde la superficie terrestre pueden encontrarse con ondas no reflejadas, o con ondas reflejadas desde otra parte de la superficie terrestre o con las capas superiores de la atmósfera. En este caso, ¿qué pasa? adición en fase de ondas de radio, o resta antifase. Como resultado, se forma un patrón rugoso en el plano vertical del espacio. patrón de radiación cosecante antenas. Durante la reflexión en fase de las ondas de radio de la superficie terrestre, se forman zonas de máxima reflexión en estas áreas: Zonas de Fresnel. Si el transmisor de radio tiene una antena omnidireccional (por ejemplo, un látigo), entonces las zonas de Fresnel consistirán en muchos anillos de varios diámetros en la superficie de la tierra, en cuyo centro se encuentra la antena. El diámetro de los anillos puede variar desde decenas de metros hasta varios kilómetros.

Para su erudición: antes de la agresión militar en Yugoslavia, los estadounidenses concedían gran importancia a los misiles antirradar como medio para destruir los radares enemigos. Un misil antirradar tiene un cabezal de radio guiado que guía el misil hacia una señal de radar. Pero después de esta operación de mantenimiento de la paz suya para convertir a Yugoslavia en un estado títere, comenzaron a rearmarse con misiles con cabezas térmicas. Resultó que los cabezales guiados de los misiles antirradar apuntaban a zonas de Fresnel, que cambian todo el tiempo según un radar giratorio, por lo que la computadora del misil no determinó correctamente las coordenadas del radar y, en el mejor de los casos, En este caso, el misil cayó en una de las zonas de Fresnel. Así, un radar de onda métrica adquirido en la Unión Soviética allá por los años 80 proporcionó de forma fiable a la defensa aérea yugoslava información sobre los vuelos estadounidenses durante más de 50 días de la guerra. Con su ayuda, más de un avión furtivo milagroso de las Barras y las Estrellas fue derribado. Y en la televisión, como de costumbre, mintieron diciendo que los estadounidenses no estaban sufriendo pérdidas.

Los obstáculos tienen una gran influencia en la propagación de las ondas de radio. Como regla general, los obstáculos tienen una propiedad reflectante. Varios objetos de origen tanto natural como artificial pueden actuar como obstáculos. Como se escribió anteriormente, las ondas de radio se reflejan desde la superficie terrestre. Vale la pena señalar que si el suelo está muy seco (por ejemplo, en el desierto), el reflejo de las ondas de radio es mucho peor que cuando el suelo está húmedo por la lluvia. Por tanto, la distancia de comunicación del mismo equipo de comunicación en el mar es entre un 50 y un 70 por ciento mayor que en tierra. Los árboles y las nubes reflejan ondas de radio. Los obstáculos naturales enumerados son buenos reflectores porque contienen agua. Los obstáculos artificiales que reflejan las ondas de radio incluyen diversas estructuras metálicas, incluidos los accesorios de edificios y estructuras.

La influencia del tipo de antena utilizada en la calidad y dirección de recepción (emisión) de las ondas de radio.

Dónde y cómo se propagará la onda de radio está determinado por el tamaño y la forma de la antena emisora ​​de ondas de radio. La antena de radio más simple es Vibrador Hertz. Se trata de un “cubo” elemental que sirve de base para construir todo tipo de antenas.

Un vibrador Hertz son dos conductores que divergen en direcciones opuestas desde el "punto de conexión de energía". En esencia, se trata de un circuito oscilatorio "desplegado". Para una mejor radiación de una señal de radio, la distancia desde el extremo de un conductor hasta el extremo del otro debe ser igual a la mitad de la longitud de onda de la oscilación electromagnética emitida (o recibida). Esto es necesario para que en los extremos del vibrador haya una diferencia de potencial de voltaje de señal máxima y en el centro del vibrador haya una amplitud de corriente máxima. Es cierto que es necesario utilizar un factor de acortamiento que tenga en cuenta la velocidad de propagación de la señal eléctrica a lo largo de la superficie de los conductores, que es mucho menor que en el vacío. Dependiendo de la frecuencia de la señal y del metal del que está hecho el vibrador, el coeficiente de acortamiento puede oscilar entre 0,65 y 0,85. Es decir, el vibrador debe ser igual a la mitad de la longitud de onda multiplicada por el factor de acortamiento.

Para reducir el tamaño de la antena, a veces se utiliza un vibrador con una longitud igual a un cuarto de la longitud de onda. Se pueden utilizar otras relaciones, pero al mismo tiempo cambian la calidad de la recepción (transmisión) y las propiedades direccionales de la antena.

El patrón de radiación de un vibrador de media onda tiene la forma toroide de rotación- forma de rosquilla. Si el vibrador se coloca horizontalmente con respecto al suelo, entonces las zonas de recepción (transmisión) máxima estarán en una línea perpendicular al vibrador, y las zonas de recepción mínima estarán en los lados extremos del vibrador. Pero tenga en cuenta que esto no tiene en cuenta la influencia de la reflexión desde el suelo. Si tenemos en cuenta la influencia de la reflexión de la superficie terrestre, la proyección del patrón de radiación de la antena (APP) del vibrador se alargará ligeramente en la dirección de los máximos.
La figura muestra un toroide de rotación y una proyección del patrón de radiación de la antena sobre una superficie horizontal, teniendo en cuenta la influencia de la tierra.

- Se trata de un vibrador Hertz modificado, en el que el pasador se utiliza como un conductor y el otro contrapeso es un trozo de cable que cuelga, una persona que sostiene un walkie-talkie móvil o la superficie de la tierra. El patrón de radiación de una antena de látigo es el mismo que el de un toroide ubicado en un área horizontal, solo que debido a la reflexión del suelo, el toroide se aplana desde abajo. La zona de máxima recepción será en todas las direcciones y la zona mínima de recepción estará por encima del vibrador de clavija. El área de recepción mínima ubicada sobre la antena se llama: zona muerta, o embudo muerto.

Dependiendo de la relación entre la longitud de la antena de látigo y la longitud de onda, también cambia el patrón de radiación de la antena en el plano vertical. La figura muestra esquemáticamente la influencia de la relación entre la longitud del pin y la longitud de onda en la formación del patrón de radiación de la antena en el plano vertical.

Recuerde la importancia práctica de la polarización de las ondas electromagnéticas: si el transmisor y el receptor de radio están sintonizados en la misma frecuencia, pero tienen polarización diferente, por ejemplo, el transmisor tiene polarización vertical y el receptor tiene polarización horizontal, entonces la comunicación por radio será deficiente. . A esto vale la pena agregar el patrón de radiación de la antena de látigo y luego, usando el ejemplo de dos radioteléfonos: estaciones de radio portátiles (1 y 2), que se muestran en la figura siguiente, se puede llegar a una conclusión lógica:

Si las antenas del transmisor y del receptor de radio están orientadas en el espacio con respecto al horizonte de la misma manera y los patrones de radiación de las antenas están dirigidos entre sí con sus máximos, entonces la comunicación será la mejor. Si no se cumple una de las condiciones especificadas, no habrá conexión o será deficiente.

El alcance de la comunicación por radio también se ve afectado por otro parámetro: el grosor de los elementos vibradores; cuanto más grande es, mayor es la antena. más banda ancha– la gama de frecuencias bien recibidas es más amplia, pero el nivel de la señal en casi todas las frecuencias disminuye. Esto se debe al hecho de que una antena dipolo es el mismo circuito oscilatorio, y cuando la banda de frecuencia de la respuesta de frecuencia de resonancia se expande, la amplitud de resonancia disminuye. Por lo tanto, no se sorprenda si una antena de televisión hecha con latas de cerveza de aluminio en una ciudad donde el nivel de señal de la torre de televisión es alto reciba una señal de televisión de diferentes canales no peor, y a menudo mejor, que una antena profesional compleja.

Las buenas antenas de radio profesionales tienen el siguiente indicador: ganancia de la antena. Después de todo, un vibrador normal de media onda no amplifica la señal, su acción es selectiva, a una determinada frecuencia, en determinadas direcciones y con una determinada polarización. Para tener menos interferencias en el receptor, aumentar el rango de transmisión y recepción y al mismo tiempo reducir el patrón de radiación de la antena (nombre común - abajo), un simple vibrador de media onda no es adecuado. La antena es cada vez más complicada.

Anteriormente escribí sobre la influencia de varios obstáculos: su propiedad reflectante. Si el tamaño del obstáculo no es comparable (un orden de magnitud menor) con la longitud de la onda de radio, entonces esto no es un obstáculo para la señal de radio; no la afecta de ninguna manera. Si un obstáculo está en un plano paralelo a la onda eléctrica y es más largo que la longitud de onda, entonces ese obstáculo refleja la onda de radio. Si la longitud del obstáculo es un múltiplo (igual a un cuarto, la mitad o la totalidad) de la longitud de onda, orientado paralelo a la onda eléctrica y perpendicular a la dirección de propagación de la onda, entonces este obstáculo actúa como un circuito oscilatorio resonante en toda la longitud de onda o sus armónicos, y tiene las mayores propiedades reflectantes.

Son estas propiedades descritas anteriormente las que se utilizan en antenas complejas. Entonces, una de las opciones para mejorar las propiedades de recepción de la antena es instalar una adicional reflector(reflector), cuyo principio de funcionamiento se basa en la reflexión de una onda de radio y la suma en fase de dos señales: del centro de televisión (TC) y del reflector. Al mismo tiempo, el patrón de radiación se estrecha y se estira. La figura muestra una antena formada por un vibrador de bucle de media onda (1) y un reflector (2). La longitud del vibrador (A) de esta antena de televisión se elige igual a la mitad de la longitud de onda del canal de televisión medio, multiplicada por el factor de acortamiento. La longitud del reflector (B) se selecciona igual a la mitad de la longitud de onda del canal de televisión mínimo (con la longitud de onda máxima). La distancia entre el vibrador y el reflector (C) se selecciona de manera que la señal directa y reflejada se sumen en fase, la mitad de la longitud de onda.

La siguiente forma de mejorar aún más la señal de recepción estrechando y estirando el trasero es agregar un vibrador pasivo. directores. El principio de funcionamiento sigue siendo el mismo de adición en fase. Al mismo tiempo, el patrón de radiación se estrecha y se estira aún más. La imagen muestra una antena. "canal de ondas", compuesto por un reflector (1), un vibrador de bucle de media onda (2) y un director (3). Una mayor incorporación de directores estrecha y alarga aún más el patrón direccional. La longitud de los directores (B) se elige ligeramente menor que la longitud del vibrador activo. Para aumentar la ganancia de la antena y su banda ancha, se añaden directores delante del vibrador activo con una disminución gradual de su longitud. Tenga en cuenta que la longitud del vibrador activo es igual a la mitad de la longitud de onda promedio de la señal recibida, la longitud del reflector es más de la mitad de la longitud de onda y la longitud del director es menos de la mitad de la longitud de onda. También se elige que la distancia entre los elementos sea aproximadamente la mitad de la longitud de onda.

En tecnología profesional, a menudo se utiliza un método para estrechar la parte inferior y aumentar las propiedades de amplificación de la antena: antena de matriz en fase, en el que se conectan varias antenas en paralelo (por ejemplo, dipolos simples o antenas de “canal de ondas”). Como resultado, se suman las corrientes de los canales adyacentes y, como resultado, aumenta la potencia de la señal.

En frecuencias ultraaltas, se utiliza una guía de ondas como antena vibradora y una lámina sólida como reflector, cuyos puntos están equidistantes del plano del vibrador (a la misma distancia). paraboloide de revolución, o en el lenguaje común – “plato”. Una antena de este tipo tiene un patrón de radiación muy estrecho y una ganancia de antena elevada.

Conclusiones basadas en la propagación y complejidad de la formación de ondas de radio.

Cómo y dónde se propagan las ondas de radio se puede calcular mediante fórmulas y transformaciones inteligentes sólo en condiciones ideales, en ausencia de obstáculos naturales. Para ello, los elementos de la antena y diversas superficies deben ser perfectamente planos. En la práctica, debido a la influencia de muchos factores de refracción y reflexión, ni un solo "cerebro científico" ha podido calcular con alta fiabilidad la propagación de ondas de radio en condiciones naturales. Hay zonas del espacio con una recepción fiable y zonas de sombra de radio, donde no hay recepción alguna. Sólo en las películas los escaladores no responden a las llamadas por radio porque tienen las manos ocupadas o ellos mismos están ocupados “salvando el mundo”; de hecho, la comunicación por radio no es un negocio estable y la mayoría de las veces los escaladores no responden porque hay simplemente no hay conexión: no hay paso de ondas de radio. Fue la dependencia de las comunicaciones por radio de los fenómenos naturales (lluvia, nubes bajas, atmósfera enrarecida, etc.) lo que llevó al surgimiento del concepto. "radioaficionado". Este es ahora el concepto de "radioaficionado", una persona a la que le gusta soldar circuitos de radio. Hace unos veinte años era un “comunicador de onda corta” quien, utilizando un transceptor de baja potencia fabricado por él mismo, se comunicaba con otro radioaficionado (o, en otras palabras, un corresponsal de radio) ubicado al otro lado de la Tierra, por lo que recibió “bonificaciones”. Antiguamente incluso se celebraban concursos de radio. Hoy en día también se realizan, pero con el desarrollo de la tecnología esto ha perdido relevancia. Entre estos radioaficionados, hay muchos que están descontentos con el hecho de que los "payals" comunes y corrientes que no están sentados con auriculares en busca de corresponsales de radio para organizar intercambios de radio se llamen a sí mismos radioaficionados.

Los libros de texto de física contienen fórmulas abstrusas sobre el tema de los rangos de ondas de radio, que a veces no son del todo comprensibles ni siquiera para personas con educación especial y experiencia laboral. En este artículo intentaremos comprender la esencia sin recurrir a complicaciones. El primero en descubrir las ondas de radio fue Nikola Tesla. En su época, donde no existían equipos de alta tecnología, Tesla no entendía del todo qué era este fenómeno, al que más tarde llamó éter. Un conductor que transporta una corriente eléctrica alterna es el origen de una onda de radio.

Fuentes de ondas de radio

Las fuentes naturales de ondas de radio incluyen objetos astronómicos y rayos. Un emisor artificial de ondas de radio es un conductor eléctrico en el que se mueve una corriente eléctrica alterna. La energía oscilatoria del generador de alta frecuencia se distribuye al espacio circundante a través de una antena de radio. La primera fuente funcional de ondas de radio fue el transmisor-receptor de radio de Popov. En este dispositivo, la función la realizaba un dispositivo de almacenamiento de alto voltaje conectado a una antena: un vibrador Hertz. Las ondas de radio creadas artificialmente se utilizan para radares estacionarios y móviles, transmisiones de radio, comunicaciones por radio, satélites de comunicación, sistemas de navegación e informáticos.

rango de ondas de radio

Las ondas utilizadas en las comunicaciones por radio se encuentran en el rango de frecuencia de 30 kHz - 3000 GHz. Según la longitud de onda, la frecuencia y las características de propagación, el rango de ondas de radio se divide en 10 subbandas:

1. SDV - extralargo.
2. DV - largo.
3. SV - promedio.
4. HF - corto.
5. VHF - ultracorto.
6. MV - metro.
7. UHF - decímetro.
8. SMV - centímetro.
9. MMV - milímetro.
10. SMMV - submilimétrico

Rango de frecuencia de ondas de radio

El espectro de ondas de radio se divide convencionalmente en secciones. Dependiendo de la frecuencia y la longitud, las ondas de radio se dividen en 12 subbandas. El rango de frecuencia de las ondas de radio está relacionado con la frecuencia de la señal de CA. Las ondas de radio en la normativa radioeléctrica internacional están representadas por 12 nombres:

A medida que aumenta la frecuencia de una onda de radio, su longitud disminuye y, a medida que disminuye la frecuencia de una onda de radio, su longitud aumenta. La propagación en función de su longitud es la propiedad más importante de una onda de radio.

La propagación de ondas de radio de 300 MHz a 300 GHz se denomina frecuencias de microondas ultraaltas debido a su frecuencia bastante alta. Incluso las subbandas son muy extensas, por lo que, a su vez, se dividen en intervalos, que incluyen determinadas bandas para televisión y radiodifusión, para comunicaciones marítimas y espaciales, terrestres y de aviación, para radar y radionavegación, para la transmisión de datos médicos, etc. A pesar de que toda la gama de ondas de radio se divide en áreas, los límites designados entre ellas son condicionales. Las secciones se suceden continuamente, se convierten unas en otras y, en ocasiones, se superponen.

Características de la propagación de ondas de radio.

La propagación de ondas de radio es la transferencia de energía mediante un campo electromagnético alterno de una zona del espacio a otra. En el vacío, las ondas de radio se propagan. Cuando las ondas de radio están expuestas al medio ambiente, la propagación de las ondas de radio puede resultar difícil. Esto se manifiesta en distorsión de la señal, cambios en la dirección de propagación y desaceleración de las velocidades de fase y de grupo.

Cada tipo de onda se utiliza de manera diferente. Los largos son más capaces de evitar obstáculos. Esto significa que la gama de ondas de radio puede propagarse a través del plano de tierra y agua. El uso de ondas largas está muy extendido en embarcaciones submarinas y marítimas, lo que permite estar en contacto en cualquier lugar del mar. Los receptores de todos los faros y estaciones de rescate están sintonizados a seiscientos metros con una frecuencia de quinientos kilohercios.

La propagación de ondas de radio en diferentes bandas depende de su frecuencia. Cuanto más corta sea la longitud y mayor la frecuencia, más recta será la trayectoria de la onda. En consecuencia, cuanto menor sea su frecuencia y mayor su longitud, más capaz será de sortear obstáculos. Cada rango de longitudes de onda de radio tiene sus propias características de propagación, pero en el límite de los rangos vecinos no hay cambios bruscos en las características distintivas.

Características de distribución

Las ondas ultralargas y largas se curvan alrededor de la superficie del planeta y se propagan mediante rayos superficiales a lo largo de miles de kilómetros.

Las ondas medianas están sujetas a una mayor absorción y, por lo tanto, pueden cubrir una distancia de sólo 500 a 1500 kilómetros. Con la densificación de la ionosfera en este rango, es posible transmitir una señal mediante un haz espacial, que proporciona comunicación a lo largo de varios miles de kilómetros.

Las ondas cortas se propagan sólo en distancias cortas debido a la absorción de su energía por la superficie del planeta. Los espaciales son capaces de reflejarse repetidamente desde la superficie terrestre y la ionosfera, cubriendo largas distancias y transmitiendo información.

Los ultracortos son capaces de transmitir una gran cantidad de información. Las ondas de radio en este rango penetran a través de la ionosfera hacia el espacio y, por lo tanto, son prácticamente inadecuadas para las comunicaciones terrestres. Las ondas superficiales de estos rangos se emiten en línea recta, sin curvarse sobre la superficie del planeta.

En bandas ópticas es posible transmitir cantidades gigantescas de información. Muy a menudo, la tercera gama de ondas ópticas se utiliza para la comunicación. En la atmósfera terrestre están sujetos a atenuación, por lo que en realidad transmiten una señal a una distancia de hasta 5 km. Pero el uso de tales sistemas de comunicación elimina la necesidad de obtener permisos de las inspecciones de telecomunicaciones.

Principio de modulación

Para transmitir información, una onda de radio debe estar modulada con una señal. El transmisor emite ondas de radio moduladas, es decir, alteradas. Las ondas cortas, medias y largas tienen modulación de amplitud, por lo que se denominan AM. Antes de la modulación, la onda portadora se mueve con una amplitud constante. La modulación de amplitud para la transmisión cambia su amplitud, respectivamente, el voltaje de la señal. La amplitud de la onda de radio varía en proporción directa al voltaje de la señal. Las ondas ultracortas tienen modulación de frecuencia, por eso se las conoce como FM. impone una frecuencia adicional que transporta información. Para transmitir una señal a distancia, se debe modular con una señal de frecuencia más alta. Para recibir una señal, es necesario separarla de la onda subportadora. Con la modulación de frecuencia se crean menos interferencias, pero la estación de radio se ve obligada a transmitir en VHF.

Factores que afectan la calidad y eficiencia de las ondas de radio.

La calidad y eficiencia de la recepción de ondas de radio se ve afectada por el método de radiación direccional. Un ejemplo sería una antena parabólica que dirige la radiación a la ubicación de un sensor receptor instalado. Este método permitió avances significativos en el campo de la radioastronomía y permitió muchos descubrimientos en la ciencia. Abrió la posibilidad de crear transmisiones por satélite, transmisiones inalámbricas y mucho más. Resultó que las ondas de radio pueden ser emitidas por el Sol, muchos planetas ubicados fuera de nuestro sistema solar, así como nebulosas cósmicas y algunas estrellas. Se supone que fuera de nuestra galaxia existen objetos con potentes emisiones de radio.

El alcance de las ondas de radio y su propagación están influenciados no sólo por la radiación solar, sino también por las condiciones climáticas. Por tanto, las ondas de un metro, de hecho, no dependen de las condiciones climáticas. Y el rango de propagación de las señales centimétricas depende en gran medida de las condiciones climáticas. Ocurre debido a que las ondas cortas se dispersan o absorben en el medio acuático durante la lluvia o cuando hay un mayor nivel de humedad en el aire.

Su calidad también se ve afectada por los obstáculos en el camino. En esos momentos, la señal se desvanece y la audibilidad se deteriora significativamente o desaparece por completo durante varios momentos o más. Un ejemplo sería la reacción de un televisor ante el paso de un avión, cuando la imagen parpadea y aparecen rayas blancas. Esto se debe al hecho de que la onda se refleja en el avión y pasa por la antena de televisión. Estos fenómenos con televisores y transmisores de radio ocurren con mayor frecuencia en las ciudades, ya que el alcance de las ondas de radio se refleja en los edificios y torres de gran altura, aumentando la trayectoria de las ondas.

Creo que todos giraron el dial de la radio, cambiando entre “VHF”, “LW”, “SV” y escucharon silbidos en los parlantes.
Pero aparte de descifrar las abreviaturas, no todo el mundo entiende lo que se esconde detrás de estas letras.
Echemos un vistazo más de cerca a la teoría de las ondas de radio.

Onda de radio

La longitud de onda (λ) es la distancia entre crestas de ondas adyacentes.
Amplitud(es): desviación máxima del valor medio durante el movimiento oscilatorio.
Periodo(T) - tiempo de un movimiento oscilatorio completo
Frecuencia (v) - número de ciclos completos por segundo

Existe una fórmula que le permite determinar la longitud de onda por frecuencia:

Donde: la longitud de onda (m) es igual a la relación entre la velocidad de la luz (km/h) y la frecuencia (kHz)

"VHF", "DV", "SV"

Ondas ultralargas-v = 3-30 kHz (λ = 10-100 km).
Tienen la capacidad de penetrar profundamente en la columna de agua hasta 20 m y, por lo tanto, se utilizan para comunicarse con submarinos, y el barco no tiene que flotar a esta profundidad, basta con lanzar la radioboya a este nivel. .
Estas ondas pueden extenderse por todo el planeta; la distancia entre la superficie terrestre y la ionosfera representa para ellas una “guía de ondas” a lo largo de la cual se propagan sin obstáculos.

ondas largas(LW) v = 150-450 kHz (λ = 2000-670 m).


Este tipo de onda de radio tiene la capacidad de sortear obstáculos y se utiliza para comunicaciones a largas distancias. También tiene un poder de penetración deficiente, por lo que, a menos que tenga una antena remota, es poco probable que pueda captar ninguna estación de radio.

Ondas medias(SV) v = 500-1600 kHz (λ = 600-190 m).


Estas ondas de radio se reflejan bien en la ionosfera, ubicada a una distancia de 100 a 450 km sobre la superficie terrestre. La peculiaridad de estas ondas es que durante el día son absorbidas por la ionosfera y no se produce el efecto de reflexión. Este efecto se utiliza prácticamente para la comunicación, normalmente a lo largo de varios cientos de kilómetros por la noche.

Ondas cortas(HF) v= 3-30 MHz (λ = 100-10 m).

Al igual que las ondas medianas, se reflejan bien en la ionosfera, pero a diferencia de ellas, independientemente de la hora del día. Pueden propagarse a largas distancias (varios miles de kilómetros) debido a las reflexiones de la ionosfera y la superficie de la Tierra; dicha propagación se denomina salto. Para ello no se necesitan transmisores de alta potencia.

Ondas ultracortas(VHF) v = 30 MHz - 300 MHz (λ = 10-1 m).


Estas ondas pueden rodear obstáculos de varios metros de tamaño y también tienen un buen poder de penetración. Debido a estas propiedades, esta gama se utiliza ampliamente para transmisiones de radio. La desventaja es su atenuación relativamente rápida al encontrar obstáculos.
Existe una fórmula que le permite calcular el rango de comunicación en el rango VHF:

Así, por ejemplo, cuando se transmite desde la torre de televisión Ostankino, de 500 m de altura, a una antena receptora de 10 m de altura, el alcance de comunicación, sujeto a visibilidad directa, será de unos 100 km.

Altas frecuencias (rango HF-cm) v = 300 MHz - 3 GHz (λ = 1-0,1 m).
No esquivan obstáculos y tienen buena capacidad de penetración. Utilizado en redes celulares y redes wi-fi.
Otra característica interesante de las ondas en este rango es que las moléculas de agua son capaces de absorber la mayor cantidad de energía posible y convertirla en calor. Este efecto se utiliza en hornos microondas.
Como puede ver, los equipos Wi-Fi y los hornos microondas funcionan en el mismo rango y pueden afectar el agua, por lo que no vale la pena dormir con un enrutador Wi-Fi durante mucho tiempo.

Frecuencias extremadamente altas (onda milimétrica EHF) v = 3 GHz - 30 GHz (λ = 0,1-0,01 m).
Se reflejan en casi todos los obstáculos y penetran libremente en la ionosfera. Por sus propiedades se utilizan en las comunicaciones espaciales.

AM-FM

A menudo, los dispositivos receptores tienen posiciones de interruptor am-fm, ¿qué es esto?

SOY.- Amplitud modulada

Se trata de un cambio en la amplitud de la frecuencia portadora bajo la influencia de una vibración de codificación, por ejemplo, la voz de un micrófono.
AM es el primer tipo de modulación inventado por el hombre. Entre las desventajas, como cualquier tipo de modulación analógica, tiene una baja inmunidad al ruido.

FM- modulación de frecuencia


Se trata de un cambio en la frecuencia portadora bajo la influencia de una oscilación de codificación.
Aunque también es un tipo de modulación analógica, tiene una mayor inmunidad al ruido que la AM y, por lo tanto, se utiliza ampliamente en el sonido de transmisiones de televisión y transmisiones de VHF.

De hecho, los tipos de modulación descritos tienen subtipos, pero su descripción no está incluida en el material de este artículo.

Más términos

Interferencia- Como resultado de los reflejos de las ondas de diversos obstáculos, las ondas se acumulan. En caso de suma en fases idénticas, la amplitud de la onda inicial puede aumentar; en caso de suma en fases opuestas, la amplitud puede disminuir hasta cero.
Este fenómeno es más evidente cuando se reciben señales de TV y FM VHF.


Por lo tanto, por ejemplo, en interiores, la calidad de la recepción en una antena de TV interior varía mucho.

Difracción- un fenómeno que ocurre cuando una onda de radio encuentra obstáculos, como resultado de lo cual la onda puede cambiar de amplitud, fase y dirección.
Este fenómeno explica la conexión en HF y SW a través de la ionosfera, cuando la onda se refleja en diversas heterogeneidades y partículas cargadas y, por lo tanto, cambia la dirección de propagación.
Este mismo fenómeno explica la capacidad de las ondas de radio para propagarse sin visibilidad directa, doblándose sobre la superficie terrestre. Para ello, la longitud de onda debe ser proporcional al obstáculo.

PD:

Espero que la información que describí sea útil y aporte algo de comprensión sobre este tema.